Jak działają tyrystory (SCR) - samouczek

Zasadniczo SCR (Silicon Controlled Rectifier), który jest również znany pod nazwą Tyrystor, działa podobnie jak tranzystor.

Co oznacza SCR

Urządzenie zawdzięcza swoją nazwę (SCR) wielowarstwowej wewnętrznej strukturze półprzewodnika, która nawiązuje do słowa „krzem” na początku nazwy.

Druga część nazwy „Kontrolowane” odnosi się do terminala bramkowego urządzenia, które jest przełączane za pomocą sygnału zewnętrznego w celu sterowania aktywacją urządzenia, stąd słowo „Sterowane”.

A termin „prostownik” oznacza właściwość prostowania tyrystora, gdy jego bramka jest wyzwalana i moc przepływa przez anodę do zacisków katody, co może być podobne do prostowania za pomocą diody prostowniczej.

Powyższe wyjaśnienie wyjaśnia, jak urządzenie działa jak „prostownik sterowany silikonem”.

Chociaż SCR prostuje jak dioda i imituje tranzystor ze względu na jego funkcję wyzwalania sygnałem zewnętrznym, wewnętrzna konfiguracja SCR składa się z czterowarstwowego układu półprzewodników (PNPN), które składają się z 3 szeregowych złączy PN, w przeciwieństwie do diody, która ma 2-warstwowy (PN) lub tranzystor, który zawiera trójwarstwową (PNP / NPN) konfigurację półprzewodników.

Możesz zapoznać się z poniższym obrazem, aby zrozumieć wewnętrzny układ wyjaśnionych złączy półprzewodnikowych oraz sposób działania tyrystorów (SCR).

Inną właściwością SCR, która wyraźnie pasuje do diody, jest jej jednokierunkowa charakterystyka, która umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku i blokowanie z drugiej strony, gdy jest włączony, mówiąc, że SCR mają inną wyspecjalizowaną naturę, która pozwala na ich działanie jako otwarty przełącznik w trybie wyłączenia.

Te dwa skrajne tryby przełączania w tyrystorach ograniczają możliwości tych urządzeń przed wzmacnianiem sygnałów i nie mogą być one używane jako tranzystory do wzmacniania sygnału pulsującego.

Prostowniki sterowane krzemem lub tyrystory SCR, takie jak triaki, diaki lub UJT, które wszystkie mają tę właściwość, że działają jak szybko przełączające się półprzewodnikowe przełączniki prądu przemiennego, jednocześnie regulując dany potencjał lub prąd AC.

Tak więc dla inżynierów i hobbystów te urządzenia stają się doskonałą opcją przełącznika półprzewodnikowego, jeśli chodzi o regulację urządzeń przełączających AC, takich jak lampy, silniki, ściemniacze z maksymalną wydajnością.

SCR jest 3-końcowym urządzeniem półprzewodnikowym, które są przypisane jako anoda, katoda i bramka, które z kolei są wewnętrznie wykonane z 3 złączami P-N, mającymi właściwość przełączania z bardzo dużą prędkością.

W ten sposób urządzenie można włączać z dowolną żądaną szybkością i dyskretnie ustawiać okresy włączania / wyłączania, w celu realizacji określonego średniego czasu włączania lub wyłączania obciążenia.

Z technicznego punktu widzenia układ SCR lub tyrystora można zrozumieć, porównując go z kilkoma tranzystorami (BJT) połączonymi w kolejności odwrotnej do tyłu, tak aby tworzyły jak uzupełniająca się regeneracyjna para przełączników, jak pokazano na poniższym obrazku :

Tyrystory i analogia dwóch tranzystorów

Obwód równoważny z dwoma tranzystorami pokazuje, że prąd kolektora tranzystora NPN TR2 zasila bezpośrednio podstawę tranzystora PNP TR1, podczas gdy prąd kolektora TR1 zasila bazę TR2.

Te dwa połączone ze sobą tranzystory polegają na sobie w przewodzeniu, gdy każdy tranzystor pobiera prąd baza-emiter z prądu kolektor-emiter drugiego. Tak więc dopóki jeden z tranzystorów nie otrzyma prądu bazowego, nic nie może się zdarzyć, nawet jeśli obecne jest napięcie anoda-katoda.

Symulacja topologii SCR z integracją dwóch tranzystorów ujawnia, że ​​formacja jest taka, że ​​prąd kolektora tranzystora NPN jest dostarczany bezpośrednio do bazy tranzystora PNP TR1, podczas gdy prąd kolektora TR1 łączy zasilanie z podstawa TR2.

Symulowana konfiguracja dwóch tranzystorów wydaje się wzajemnie blokować i uzupełniać przewodzenie poprzez odbieranie napędu podstawowego z prądu drugiego kolektora emiter, co sprawia, że ​​napięcie bramki jest bardzo istotne i zapewnia, że ​​pokazana konfiguracja nie może nigdy przewodzić, dopóki nie zostanie przyłożony potencjał bramki, nawet w obecności anody do katody potencjał może być trwały.

W sytuacji, gdy wyprowadzenie anody urządzenia jest bardziej ujemne niż jego katoda, pozwala na to, aby złącze N-P było spolaryzowane do przodu, ale zapewniało, że zewnętrzne złącza P-N są spolaryzowane odwrotnie, tak aby działały jak standardowa dioda prostownicza.

Ta właściwość tyrystora pozwala na blokowanie przepływu prądu wstecznego, aż do momentu, gdy na wspomniane wyprowadzenia zostanie przyłożone znacznie wysokie napięcie, które może przekraczać specyfikację jego dziobu, co zmusza tyrystor do przewodzenia nawet przy braku napędu bramki. .

Powyższe odnosi się do krytycznych cech tyrystorów, które mogą powodować niepożądane wyzwalanie urządzenia przez wsteczny skok wysokiego napięcia i / lub wysoką temperaturę lub szybko rosnący stan przejściowy napięcia dv / dt.

Teraz przypuśćmy, że w sytuacji, gdy końcówka anody jest bardziej pozytywna w odniesieniu do wyprowadzenia katody, pomaga to zewnętrznemu złączu P-N stać się polaryzowanym do przodu, chociaż centralne złącze N-P nadal pozostaje spolaryzowane wstecz. To w konsekwencji zapewnia, że ​​prąd przewodzenia jest również blokowany.

Dlatego w przypadku, gdy dodatni sygnał indukowany na podstawie tranzystora NPN TR2 powoduje przejście prądu kolektora w kierunku podstawy f TR1, co w trunku wymusza przepływ prądu kolektora w kierunku tranzystora PNP TR1, wzmacniając napęd bazowy TR2 i proces zostaje wzmocniony.

Powyższy warunek pozwala dwóm tranzystorom wzmocnić ich przewodzenie aż do punktu nasycenia dzięki pokazanej pętli sprzężenia zwrotnego konfiguracji regeneracyjnej, która utrzymuje sytuację w stanie zablokowanym i zablokowanym.

Tak więc, gdy tylko SCR zostanie wyzwolony, umożliwia przepływ prądu ze swojej anody do katody przy minimalnym oporze do przodu na drodze, zapewniając efektywne przewodzenie i działanie urządzenia.

Poddany działaniu prądu przemiennego, tyrystor SCR może blokować oba cykle prądu przemiennego, dopóki tyrystor nie zostanie zaoferowany z napięciem wyzwalającym na swojej bramce i katodzie, co natychmiast umożliwia dodatni półcykl prądu przemiennego na przejście przez przewody katody anody, oraz urządzenie zaczyna naśladować standardową diodę prostowniczą, ale tylko tak długo, jak spust bramki pozostaje włączony, przewodzenie zostaje przerwane w momencie usunięcia spustu bramki.

Wymuszone krzywe charakterystyki napięcie-prąd lub I-V dla aktywacji prostownika sterowanego krzemem można zobaczyć na poniższym obrazku:

Krzywe charakterystyk tyrystora I-V

Jednak w przypadku wejścia prądu stałego, gdy tylko tyrystor zostanie włączony, z powodu wyjaśnionego przewodzenia regeneracyjnego, podlega on działaniu zatrzaskowemu, tak że przewodzenie anody do katody utrzymuje się i przewodzi nawet po usunięciu wyzwalacza bramki.

Tak więc w przypadku zasilania prądem stałym bramka całkowicie traci swój wpływ po przyłożeniu pierwszego impulsu wyzwalającego do bramki urządzenia, zapewniając podtrzymany prąd z anody do katody. Może zostać przerwany przez chwilowe przerwanie źródła prądu anody / katody, gdy bramka jest całkowicie nieaktywna.

SCR nie może działać jak BJT

SCR nie są zaprojektowane tak, aby były idealnie analogowe, jak odpowiedniki tranzystorów, i dlatego nie można ich zmusić do przewodzenia w pewnym pośrednim obszarze aktywnym dla obciążenia, które może znajdować się gdzieś pomiędzy całkowitym przewodzeniem a wyłączonym wyłącznikiem.

Jest to również prawdą, ponieważ wyzwalacz bramki nie ma wpływu na to, jak bardzo anoda do katody może przewodzić lub nasycać, a zatem nawet mały chwilowy impuls bramki wystarczy, aby przełączyć przewodzenie anody do katody do pełnego włączenia.

Powyższa cecha umożliwia porównanie SCR i traktowanie go jak zatrzask bistabilny posiadający dwa stabilne stany, albo całkowite włączenie lub całkowite wyłączenie. Jest to spowodowane dwiema specjalnymi charakterystykami tyrystora w odpowiedzi na wejście AC lub DC, jak wyjaśniono w powyższych sekcjach.

Jak używać bramki SCR do sterowania jego przełączaniem

Jak wspomniano wcześniej, po wyzwoleniu tyrystora przez wejście prądu stałego, a jego katoda anodowa jest samozatrzaskowa, można ją odblokować lub wyłączyć albo przez chwilowe całkowite usunięcie źródła zasilania anody (prąd anodowy Ia), albo przez zredukowanie go do niektórych znacznie niski poziom poniżej określonego prądu trzymania urządzenia lub „minimalnego prądu trzymania” Ih.

Oznacza to, że minimalny prąd trzymania między anodą a katodą powinien być zmniejszony, dopóki wewnętrzne wiązanie zatrzaskowe P-N tyrystorów nie będzie w stanie przywrócić do działania swojej naturalnej właściwości blokującej.

Dlatego oznacza to również, że aby SCR działał lub zachowywał się z wyzwalaczem bramki, konieczne jest, aby prąd obciążenia od anody do katody przekraczał określony `` minimalny prąd trzymania '' Ih, w przeciwnym razie SCR może nie realizować przewodzenia obciążenia, dlatego jeśli IL jest prądem obciążenia, musi to być IL> IH.

Jednak, jak już omówiono w poprzednich sekcjach, gdy prąd zmienny jest używany na pinach anody SCR. Katoda zapewnia, że ​​SCR nie może wykonać efektu zatrzasku, gdy napęd bramki jest usunięty.

Dzieje się tak, ponieważ sygnał prądu przemiennego włącza się i wyłącza w obrębie linii przejścia przez zero, co powoduje wyłączenie prądu anody SCR z katodą przy każdym przesunięciu o 180 stopni dodatniego półcyklu przebiegu prądu przemiennego.

Zjawisko to określane jest jako „naturalna komutacja” i narzuca kluczową cechę przewodzeniu SCR. W przeciwieństwie do zasilaczy DC ta funkcja staje się nieistotna w przypadku SCR.

Ale ponieważ SCR ma zachowywać się jak dioda prostownicza, reaguje skutecznie tylko na dodatnie półcykle prądu przemiennego i pozostaje spolaryzowany odwrotnie i całkowicie nie reaguje na drugą połowę cyklu prądu przemiennego, nawet w obecności sygnału bramki.

Oznacza to, że w obecności wyzwalacza bramkowego SCR przewodzi przez swoją anodę do katody tylko przez odpowiednie dodatnie półcykle AC i pozostaje wyciszony przez pozostałe półcykle.

Ze względu na wyżej wyjaśnioną funkcję zatrzasku, a także odcięcie podczas drugiej połowy cyklu przebiegu prądu przemiennego, SCR może być skutecznie używany do przerywania cykli fazowych AC tak, że obciążenie można przełączać na dowolnym pożądanym (regulowanym) niższym poziomie mocy .

Ta funkcja, znana również jako kontrola fazy, może być realizowana za pomocą zewnętrznego sygnału czasowego podawanego na bramkę SCR. Sygnał ten decyduje, po jakim opóźnieniu SCR może zostać uruchomiony po rozpoczęciu dodatniego półcyklu fazy AC.

Pozwala to więc na przełączenie tylko tej części fali prądu przemiennego, która jest przekazywana po wyzwoleniu bramki ... ta regulacja fazy jest jedną z głównych cech tyrystora sterowanego krzemem.

Sposób działania tyrystorów (SCR) w kontroli fazy można zrozumieć, patrząc na poniższe obrazy.

Pierwszy diagram przedstawia tyrystor, którego bramka jest stale wyzwalana, jak widać na pierwszym schemacie, co pozwala na zainicjowanie całego dodatniego przebiegu od początku do końca, czyli przez środkową linię przejścia przez zero.

Tyrystorowa kontrola fazy

Na początku każdego dodatniego półcyklu SCR jest „WYŁĄCZONY”. Podczas indukcji napięcia bramki aktywuje tyrystor w przewodzeniu i pozwala na całkowite zatrzaśnięcie w pozycji „WŁ.” Przez cały dodatni półokres. Gdy tyrystor zostanie włączony na początku półokresu (θ = 0o), podłączone obciążenie (lampa lub inne podobne) będzie włączone przez cały dodatni cykl przebiegu prądu przemiennego (wyprostowany półfalowy ) przy podwyższonym średnim napięciu 0,318 x Vp.

Ponieważ inicjalizacja przełącznika bramkowego jest zwiększana w połowie cyklu (θ = 0o do 90o), podłączona lampa jest zapalana przez krótszy czas, a napięcie netto doprowadzane do lampy również proporcjonalnie mniej spada jej intensywność.

Następnie łatwo jest wykorzystać prostownik sterowany silikonem jako ściemniacz światła AC oraz w wielu różnych dodatkowych zastosowaniach prądu przemiennego, na przykład: sterowanie prędkością silnika prądu przemiennego, urządzenia sterujące ciepłem i obwody regulatora mocy, i tak dalej.

Do tej pory byliśmy świadkami, że tyrystor jest zasadniczo urządzeniem półfalowym, które jest w stanie przepuszczać prąd tylko w dodatniej połowie cyklu, gdy anoda jest dodatnia i zapobiega przepływowi prądu, tak jak dioda w przypadkach, gdy anoda jest ujemna. , nawet jeśli prąd bramki pozostaje aktywny.

Niemniej jednak można znaleźć o wiele więcej wariantów podobnych produktów półprzewodnikowych do wyboru, z których pochodzą pod tytułem „Tyrystor” zaprojektowanych do pracy w obu kierunkach półcyklów, jednostek pełnookresowych lub które mogą być wyłączane przez sygnał bramki. .

Ten rodzaj produktów obejmuje „tyrystory wyłączane przez bramkę” (GTO), „tyrystory indukcyjne statyczne” (SITH), „tyrystory sterowane MOS” (MCT), „wyłącznik sterowany krzemem” (SCS), „tyrystory triody” (TRIAC) oraz „tyrystory wyzwalane światłem” (LASCR), aby zidentyfikować kilka, przy czym tak wiele z tych urządzeń jest dostępnych w wielu różnych napięciach i prądach znamionowych, co czyni je interesującymi do zastosowań przy bardzo wysokich poziomach mocy.

Przegląd pracy tyrystora

Krzemowe prostowniki sterowane, znane ogólnie jako tyrystory, to trójzłączowe urządzenia półprzewodnikowe PNPN, które można uznać za dwa połączone ze sobą tranzystory, które można wykorzystać do przełączania dużych obciążeń elektrycznych zasilanych z sieci.

Charakteryzują się zatrzaśnięciem - „WŁĄCZONY” przez pojedynczy impuls dodatniego prądu przyłożonego do przewodu bramki i mogą pozostawać „WŁĄCZONY” w nieskończoność, dopóki prąd anody do katody nie zostanie zmniejszony poniżej określonego minimalnego stopnia zatrzasku lub odwrócony.

Statyczne atrybuty tyrystora

Tyrystory są urządzeniami półprzewodnikowymi skonfigurowanymi do działania tylko w funkcji przełączania. Tyrystory są produktami sterowanymi prądem, niewielki prąd bramki jest w stanie kontrolować bardziej znaczący prąd anodowy. Włącza prąd tylko raz przesunięty do przodu i prąd wyzwalający zastosowany do bramki.

Tyrystor działa podobnie jak dioda prostownicza, gdy jest aktywowany „ON”. Prąd anodowy musi być czymś więcej niż utrzymywaniem wartości prądu, aby zachować przewodnictwo. Blokuje przepływ prądu w przypadku spolaryzowania wstecznego, niezależnie od tego, czy prąd bramki jest włączony, czy nie.

Zaraz po przełączeniu na „ON” zostaje zablokowany jako „ON”, działając niezależnie od tego, czy stosowany jest prąd bramki, ale tylko w przypadku, gdy prąd anody jest powyżej prądu zatrzasku.

Tyrystory to szybkie przełączniki, których można użyć do zastąpienia przekaźników elektromechanicznych w wielu obwodach, ponieważ po prostu nie mają żadnych wibrujących części, nie mają wyładowań łukowych lub mają problemy z degradacją lub zabrudzeniem.

Ale oprócz prostego włączania i wyłączania znacznych prądów, tyrystory mogą sterować wartością skuteczną prądu obciążenia AC bez rozpraszania znacznej ilości mocy. Doskonałym przykładem tyrystorowego sterowania mocą jest sterowanie oświetleniem elektrycznym, grzejnikami i prędkością silnika.

W następnym samouczku przyjrzymy się niektórym podstawowym Obwody tyrystorowe i aplikacje przy użyciu zasilaczy AC i DC.