Hvordan Thyristors (SCR) fungerer - Veiledning

I utgangspunktet fungerer en SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​som også er kjent under navnet Thyristor, som en transistor.

Hva SCR står for

Enheten får navnet sitt (SCR) på grunn av sin flerlags halvleder interne struktur som refererer til 'silisium' ordet i begynnelsen av navnet.

Den andre delen av navnet 'Kontrollert' refererer til portterminalen til enheten, som byttes med et eksternt signal for å kontrollere aktivering av enheten, og derav ordet 'Kontrollert'.

Og begrepet 'likeretter' betegner utbedringsegenskapen til SCR når porten utløses og kraft får strømme over sin anode til katodeterminaler. Dette kan ligne på utbedring med en likeretterdiode.

Ovennevnte forklaring gjør det klart hvordan enheten fungerer som en 'Silicon Controlled Rectifier'.

Selv om en SCR utbedrer seg som en diode og etterligner en transistor på grunn av dens utløsende funksjon med et eksternt signal, består en SCR intern konfigurasjon av et firelags halvlederarrangement (PNPN) som består av 3 seriens PN-kryss, i motsetning til en diode som har en 2-lags (PN) eller en transistor som inkluderer en trelags (PNP / NPN) halvlederkonfigurasjon.

Du kan referere til følgende bilde for å forstå den interne utformingen av de forklarte halvlederkryssene, og hvordan Thyristors (SCR) fungerer.

En annen SCR-egenskap som tydelig samsvarer med en diode, er at den er ensrettet, noe som gjør at strømmen bare kan strømme i en retning gjennom den, og blokkeres fra den andre siden mens den er slått PÅ, når det er sagt at SCR har en annen spesialitet som gjør at de kan brukes som en åpen bryter mens den er slått av.

Disse to ekstreme byttemodusene i SCR begrenser disse enhetene fra å forsterke signaler, og disse kan ikke brukes som transistorer for å forsterke et pulserende signal.

Silisiumstyrte likerettere eller SCR-er, akkurat som Triacs, Diacs eller UJT-er, som alle har egenskapen til å utføre som raskt å bytte solid state AC-brytere mens de regulerer et gitt AC-potensial eller strøm.

Så for ingeniører og hobbyister blir disse enhetene et utmerket alternativ for solid state-brytere når det gjelder regulering av vekselstrømbrytere slik som lamper, motorer, dimmerbrytere med maksimal effektivitet.

En SCR er en 3-terminal halvlederanordning som er tildelt som Anode, Katode og Porten, som igjen er laget internt med 3 PN-kryss, som har egenskapen til å bytte med veldig høy hastighet.

Dermed kan enheten slås på med hvilken som helst ønsket hastighet og diskret innstille PÅ / AV-perioder, for å implementere en bestemt gjennomsnittlig slå PÅ eller slå AV tiden til en belastning.

Teknisk sett kan oppsettet til en SCR eller en tyristor forstås ved å sammenligne den med et par transistorer (BJT) koblet i rygg-til-rygg-rekkefølgen, slik at de danner som et kompletterende regenerativt par brytere, som vist i følgende bilde :

Thyristors Two Transistor Analogy

De to transistorekvivalente kretsene viser at kollektorstrømmen til NPN-transistoren TR2 mates direkte inn i basen til PNP-transistoren TR1, mens kollektorstrømmen til TR1 strømmer inn i basen til TR2.

Disse to sammenkoblede transistorene er avhengige av hverandre for ledning når hver transistor får sin base-emitterstrøm fra den andres kollektor-emitterstrøm. Så til en av transistorene får en grunnstrøm, kan ingenting skje selv om en anode-til-katodespenning er til stede.

Simulering av SCR-topologien med to-transistorintegrasjon avslører at formasjonen er på en slik måte at kollektorstrømmen til NPN-transistoren leverer rett til basen av PNP-transistoren TR1, mens kollektorstrømmen til TR1 kobler tilføringen med base av TR2.

Den simulerte to-transistorkonfigurasjonen ser ut til å låse sammen og utfylle hverandres ledning ved å motta basedrevet fra kollektorens emitterstrøm fra den andre, dette gjør portens spenning veldig avgjørende og sikrer at den viste konfigurasjonen aldri kan lede før et portpotensial blir brukt, selv i nærvær av anoden til katodepotensialet kan være vedvarende.

I en situasjon hvor enhetens anodeledning er mer negativ enn katoden, gjør at NP-krysset forblir forspent, men sørger for at de ytre P-kryssene blir forspent slik at det fungerer som en standard likeretterdiode.

Denne egenskapen til en SCR gjør det mulig å blokkere en omvendt strømstrøm, til en betydelig høy spenningsgrad som kan være utenfor spesifikasjonene for nebbet, blir påført over de nevnte ledningene, noe som tvinger SCR til å lede selv i fravær av en portdrift .

Ovennevnte refererer til kritiske egenskaper hos tyristorer som kan føre til at enheten blir utløst uønsket gjennom en omvendt høyspenningsspike og / eller en høy temperatur, eller en raskt økende dv / dt-spenningstransient.

Anta nå i en situasjon der Anode-terminalen opplever mer positiv med hensyn til katodeledningen, dette hjelper det ytre P-N-krysset til å bli forspent, selv om det sentrale NP-krysset fortsetter å være omvendt forspent. Dette sikrer følgelig at fremstrømmen også blokkeres.

I tilfelle et positivt signal indusert over basen av NPN-transistoren TR2 resulterer i passasjen av kollektorstrømmen mot basen f TR1, som i trun tvinger kollektorstrømmen til å passere mot PNP-transistoren TR1, noe som øker basedrevet til TR2 og prosessen blir forsterket.

Ovennevnte tilstand tillater de to transistorene å forbedre ledningen til metningspunktet på grunn av deres viste regenerative konfigurasjons-tilbakekoblingssløyfe som holder situasjonen låst og låst.

Så snart SCR er utløst, tillater den en strøm å strømme fra anoden til katoden med bare en minimal fremovermotstand på rundt som kommer i banen, og sikrer en effektiv ledning og drift av enheten.

Når den utsettes for en AC, kan SCR blokkere begge syklusene til AC til SCR tilbys med en utløsende spenning over porten og katoden, som øyeblikkelig tillater den positive halvsyklusen til AC å passere over anodekatodeledningene, og enheten begynner å etterligne en standard likeretterdiode, men bare så lenge portutløseren forblir slått PÅ, bryter ledningen i det øyeblikket portutløseren fjernes.

De håndhevede spenningsstrøm- eller IV-karakteristikkurvene for aktivering av en silisiumstyrt likeretter kan sees i følgende bilde:

Thyristor IV karakteristikkkurver

Imidlertid for en DC-inngang, så snart tyristoren utløses PÅ, på grunn av den forklarte regenererende ledningen, gjennomgår den en låsende handling slik at ledningen til anoden til katoden holder på og fortsetter å lede selv om portutløseren er fjernet.

Dermed mister porten fullstendig sin innflytelse for en likestrøm når den første utløserpulsen påføres over porten til enheten og sørger for en låsestrøm fra anoden til katoden. Det kan brytes ved å øyeblikkelig bryte anode / katodestrømkilden mens porten er helt inaktiv.

SCR kan ikke fungere som BJT

SCR er ikke designet for å være perfekt analoge som transistor-kolleger, og kan derfor ikke gjøres for å lede i et mellomliggende aktivt område for en belastning som kan være et sted mellom full ledning og konkurranse slå AV.

Dette er også sant fordi portutløseren ikke har noen innflytelse på hvor mye anoden til katoden kan få til å lede eller mette, og til og med en liten øyeblikkelig portpuls er nok til å svinge anoden til katodeledning til en full bryter PÅ.

Ovennevnte funksjon gjør det mulig å sammenligne og betrakte en SCR som en Bistable Latch som har de to stabile tilstandene, enten en komplett PÅ eller en full AV. Dette skyldes de to spesielle egenskapene til SCR som svar på en AC- eller DC-inngang som forklart i avsnittene ovenfor.

Hvordan bruke porten til en SCR for å kontrollere byttingen

Som diskutert tidligere, når en SCR er utløst med en DC-inngang og dens anodekatode er selvlåst, kan denne låses opp eller slås av enten ved å fjerne anodeforsyningskilden (anodestrømmen Ia) helt, eller ved å redusere den til noen betydelig lavt nivå under den spesifiserte holdestrømmen til enheten eller 'minimum holdestrøm' Ih.

Dette innebærer at den minimale holdestrømmen fra Anode til Katode bør reduseres til tyristorenes interne P-N-låsebinding er i stand til å gjenopprette sin naturlige blokkeringsfunksjon til handling.

Derfor betyr dette også at for å få en SCR til å fungere eller oppføre seg med en portutløser, er det viktig at anoden til katodebelastningsstrømmen er over den spesifiserte 'minimale holdestrømmen' Ih, ellers kan SCR mislykkes i å implementere lastledningen, derfor hvis IL er laststrømmen, må dette være som IL> IH.

Som allerede diskutert i de forrige avsnittene, når en AC brukes over SCR-anoden. Katodepinner, sørger det for at SCR ikke får lov til å utføre låseeffekten når portdrevet fjernes.

Dette er fordi vekselstrømssignalet slås PÅ og AV innenfor nullkryssingslinjen, som holder SCR-anoden til katodestrøm for å slå seg av ved hvert 180-graders skift av den positive halvsyklusen til vekselstrømsformen.

Dette fenomenet blir betegnet som 'naturlig kommutasjon' og pålegger en avgjørende funksjon for en SCR-ledning. I motsetning til dette med DC-forsyninger blir denne funksjonen uvesentlig med SCR.

Men siden en SCR er utformet for å oppføre seg som en likeretterdiode, reagerer den bare effektivt på de positive halvsyklusene til en vekselstrøm og forblir reversert forspent og svarer ikke helt til den andre halvsyklusen til vekselstrømmen, selv i nærvær av et gatesignal.

Dette innebærer at i nærvær av en portutløser, fører SCR over sin anode til katode bare i de respektive positive vekselstrømssyklusene og forblir dempet i de andre halvsyklusene.

På grunn av den ovennevnte forklarte låsefunksjonen og også avskjæringen i løpet av den andre halvsyklusen til en vekselstrømsbølgeform, kan SCR effektivt brukes til å hugge fase vekselstrømssykluser slik at belastningen kan byttes på hvilket som helst ønsket (justerbart) lavere effektnivå .

Også kjent som fasekontroll, kan denne funksjonen implementeres gjennom et eksternt tidsstyrt signal som brukes over porten til SCR. Dette signalet bestemmer etter hvor mye forsinkelse SCR kan avfyres når AC-fasen har startet sin positive halvsyklus.

Så dette tillater bare at den delen av vekselstrømsbølgen kan byttes som passeres etter portutløseren .. denne fasekontrollen er blant hovedtrekkene i en silisiumstyrt tyristor.

Hvordan tyristorer (SCR) fungerer i fasekontroll kan forstås ved å se på bildene nedenfor.

Det første diagrammet viser en SCR hvis gate utløses permanent, som det kan sees i det første diagrammet, dette gjør at den komplette positive bølgeformen kan bli startet fra start til slutt, den over den sentrale nullkryssingslinjen.

Thyristor fasekontroll

I begynnelsen av hver positive halvsyklus er SCR “OFF”. Ved induksjon av portens spenning aktiverer SCR i ledning og gjør at den kan låses helt 'PÅ' gjennom den positive halvsyklusen. Når tyristoren slås på ved begynnelsen av halvsyklusen (θ = 0o), vil den tilkoblede belastningen (en lampe eller lignende) være 'PÅ' for hele den positive syklusen til vekselstrømsbølgeformen (halvbølge rettet vekselstrøm ) ved en forhøyet gjennomsnittsspenning på 0,318 x Vp.

Når initialiseringen av portbryteren PÅ heves langs halvsyklusen (θ = 0o til 90o), tennes den tilkoblede lampen i en kortere periode, og nettospenningen som føres til lampen, blir også proporsjonalt mindre og slipper dens intensitet.

Deretter er det enkelt å utnytte en silisiumstyrt likeretter som en AC-lysdimmer og i mange forskjellige ekstra vekselstrømsapplikasjoner, for eksempel: AC-hastighetsregulering, varmestyringsenheter og strømregulatorer, og så videre.

Inntil nå har vi vært vitne til at en tyristor i utgangspunktet er en halvbølgenhet som er i stand til å passere strøm bare i den positive halvdelen av syklusen når anoden er positiv og forhindrer strømmen akkurat som en diode i tilfeller der anoden er negativ. , selv om portstrømmen forblir aktiv.

Likevel kan du finne mange flere varianter av lignende halvlederprodukter å velge mellom som stammer fra tittelen 'Thyristor' designet for å fungere i begge retninger av halvsyklusene, fullbølgeenhetene, eller som kan slås 'AV' av Gate-signalet. .

Denne typen produkter inkluderer 'Gate Turn-OFF Thyristors' (GTO), 'Static Induction Thyristors' (SITH), 'MOS Controlled Thyristors' (MCT), 'Silicon Controlled Switch' (SCS), 'Triode Thyristors' (TRIAC) og “Light Triggered Thyristors” (LASCR) for å identifisere noen få, med så mange av disse enhetene tilgjengelige i mange forskjellige spennings- og strømverdier, noe som gjør dem interessante å bli brukt i formål med svært høye effektnivåer.

Thyristor arbeidsoversikt

Silisiumstyrte likerettere kjent som Thyristors, er PNPN-halvledere med tre kryss som kan betraktes som to sammenkoblede transistorer som du kan bruke til å bytte tunge elektriske belastninger.

De er preget av å være låst - 'PÅ' av en enkelt puls med positiv strøm som påføres Gate-ledningen, og kan fortsette å være 'PÅ' i det uendelige til Anode til katodestrømmen reduseres under det spesifiserte minste låsemålet eller reverseres.

Statiske attributter til en tyristor

Tyristorer er halvlederutstyr konfigurert til å fungere bare i svitsjefunksjonen. Thyristor er nåværende kontrollerte produkter, en liten portstrøm er i stand til å kontrollere en mer betydelig anodestrøm. Aktiverer strøm bare en gang forspent og utløsende strøm brukt på porten.

Tyristoren fungerer på samme måte som en likeretterdiode hver gang den tilfeldigvis aktiveres 'PÅ'. Anodestrøm må være mer enn å opprettholde nåværende verdi for å bevare ledning. Inhiberer nåværende passasje i tilfelle omvendt forspent, uavhengig av om portstrøm er satt på eller ikke.

Så snart den er slått “PÅ”, blir den låst “PÅ”, uansett om det brukes en portstrøm, men bare i tilfelle anodestrømmen er over låsestrømmen.

Tyristorer er raske brytere som du kan bruke til å erstatte elektromekaniske reléer i en rekke kretser, da de rett og slett ikke har noen vibrerende deler, ingen kontaktbuer eller har problemer med forringelse eller skitt.

Men i tillegg til å bare slå på betydelige strømmer 'PÅ' og 'AV', kan tyristorer oppnås for å administrere RMS-verdien til en vekselstrømstrøm uten å spre en betydelig mengde strøm. Et utmerket eksempel på tyristorkraftkontroll er i kontroll av elektrisk belysning, varmeovner og motorhastighet.

I neste opplæring vil vi se på noen grunnleggende Tyristorkretser og applikasjoner bruker både vekselstrøm og likestrøm.