Как работят тиристорите (SCR) - Урок

По принцип SCR (Silicon Controlled Rectifier), който също е известен с името тиристор, работи като транзистор.

Какво представлява SCR

Устройството получава името си (SCR) поради многослойната си полупроводникова вътрешна структура, която се отнася към думата „силиций“ в началото на името си.

Втората част от името „Контролиран“ се отнася до терминал на портата на устройството, който се превключва с външен сигнал, за да се контролира активирането на устройството, а оттам и думата „Контролиран“.

И терминът „токоизправител“ означава свойството за коригиране на SCR, когато затворът му е задействан и е разрешено захранването да преминава през неговия анод към катодни клеми, това може да е подобно на коригирането с токоизправител диод.

Горното обяснение ясно показва как устройството работи като „Силиконов контролиран токоизправител“.

Въпреки че SCR се коригира като диод и имитира транзистор поради задействащата му функция с външен сигнал, SCR вътрешната конфигурация се състои от четирислойно полупроводниково устройство (PNPN), които са изградени от 3 серийни PN съединения, за разлика от диод, който има двуслоен (PN) или транзистор, който включва трислойна (PNP / NPN) полупроводникова конфигурация.

Можете да се обърнете към следното изображение за разбиране на вътрешното оформление на обяснените полупроводникови кръстовища и как работят тиристорите (SCR).

Друго свойство на SCR, което отчетливо съвпада с диода, е неговите еднопосочни характеристики, които позволяват на тока да тече само в една посока през него и да блокира от другата страна, докато е включен, след като каза, че SCR имат друг специализиран характер, който им позволява да работят като отворен ключ, докато сте в изключен режим.

Тези два екстремни режима на превключване в SCRs ограничават тези устройства от усилващи сигнали и те не могат да се използват като транзистори за усилване на пулсиращ сигнал.

Силиконовите управляеми токоизправители или SCR, точно като Triacs, Diacs или UJT, които имат свойството да работят като бързо превключващи се полупроводникови AC ключове, докато регулират даден AC потенциал или ток.

Така че за инженерите и любителите тези устройства се превръщат в отлична опция за превключване на твърдо състояние, когато става въпрос за регулиране на променливотокови превключващи устройства, като лампи, двигатели, димери с максимална ефективност.

SCR е 3-терминално полупроводниково устройство, което е присвоено като анод, катод и порта, които от своя страна са направени с 3 P-N кръстовища, имащи свойството да превключват с много висока скорост.

По този начин устройството може да се превключва на всяка желана скорост и дискретно да се задават периоди на ВКЛ / ИЗКЛЮЧВАНЕ, за изпълнение на определен среден ВКЛЮЧВАНЕ или изключване на времето за натоварване.

Технически, разположението на SCR или тиристор може да се разбере чрез сравняването му с няколко транзистора (BJT), свързани в ред отзад назад, така че да се оформи като допълваща регенеративна двойка ключове, както е показано на следващото изображение :

Тиристори два транзистора Аналогия

Двете транзисторни еквивалентни схеми показват, че колекторният ток на NPN транзистора TR2 се подава директно в основата на PNP транзистора TR1, докато колекторният ток на TR1 се подава в основата на TR2.

Тези два взаимосвързани транзистора разчитат един на друг за проводимост, тъй като всеки транзистор получава своя ток на базов емитер от тока на колектор-емитер на другия. Така че, докато един от транзисторите не получи някакъв базов ток, нищо не може да се случи, дори ако има напрежение от анод към катод.

Симулирането на SCR топологията с интегриране на два транзистора разкрива, че формацията е по такъв начин, че колекторният ток на NPN транзистора да се подава право към основата на PNP транзистора TR1, докато колекторният ток на TR1 свързва захранването с база на TR2.

Симулираната конфигурация на два транзистора изглежда блокира и допълва взаимно проводимостта, като приема базовото задвижване от колекторния излъчващ ток на другия, което прави напрежението на портата много важно и гарантира, че показаната конфигурация никога не може да проведе, докато не се приложи потенциал на портата, дори в присъствието на анода към катода потенциалът може да бъде постоянен.

В ситуация, когато анодният проводник на устройството е по-отрицателен от неговия катод, позволява N-P преходът да остане пристрастен напред, но гарантира, че външните P-N кръстовища са обърнати обратно, така че да действа като стандартен токоизправител диод.

Това свойство на SCR му позволява да блокира обратен токов поток, докато през споменатите изводи не бъде нанесено значително голямо напрежение, което може да надвишава характеристиките му, което принуждава SCR да проведе дори при липса на задвижване на порта .

Горното се отнася до критични характеристики на тиристорите, които могат да доведат до нежелано задействане на устройството чрез обратен пик на високо напрежение и / или висока температура или бързо нарастващо преходно напрежение dv / dt.

Сега да предположим, че в ситуация, в която анодният терминал изпитва по-положителен ефект по отношение на своето катодно олово, това помага на външния P-N кръстовище да стане пристрастен напред, въпреки че централният N-P кръстовище продължава да остава обратно пристрастен. По този начин се гарантира, че предният ток също е блокиран.

Следователно, в случай че положителен сигнал, индуциран през основата на NPN транзистора TR2, води до преминаване на колекторния ток към основата f TR1, който в тръба принуждава колекторния ток да премине към PNP транзистора TR1, усилващ базовото задвижване на TR2 и процесът се подсилва.

Горното условие позволява на двата транзистора да подобрят проводимостта си до точката на насищане благодарение на показаната им регенерираща верига за обратна връзка, която поддържа ситуацията заключена и фиксирана.

По този начин, веднага след като SCR се задейства, той позволява на ток да тече от неговия анод към катода само с минимално съпротивление напред от около, идващо по пътя, осигурявайки ефективно провеждане и работа на устройството.

Когато е подложен на AC, SCR може да блокира и двата цикъла на AC, докато SCR се предложи с пусково напрежение през портата и катода, което незабавно позволява положителният половин цикъл на AC да премине през анодните катодни изводи и устройството започва да имитира стандартен токоизправител диод, но само докато спусъка на портата остава включен, проводимостта се прекъсва в момента, в който спусъка на портата е премахнат.

Принудителните криви на напрежение-ток или I-V за задействане на силиконов управляем токоизправител могат да бъдат видени на следното изображение:

Криви на характеристиките на тиристор I-V

Въпреки това за DC вход, веднага щом тиристорът се задейства, поради обяснената регенеративна проводимост, той претърпява блокиращо действие, така че анодът към катодната проводимост се задържа и продължава да провежда, дори ако спусъка на затвора е отстранен.

По този начин за постояннотоково захранване портата напълно губи своето влияние, след като първият задействащ импулс се подаде през портата на устройството, осигурявайки заключен ток от неговия анод към катода. Той може да бъде счупен чрез моментно прекъсване на анодния / катоден източник на ток, докато портата е напълно неактивна.

SCR не може да работи като BJT

SCR не са проектирани да бъдат напълно аналогови като аналозите на транзистора и следователно не могат да бъдат направени да провеждат в някаква междинна активна област за товар, който може да е някъде между пълната проводимост и конкурентното изключване.

Това също е вярно, тъй като спусъка на затвора няма влияние върху това колко може да бъде направен анодът към катода за провеждане или насищане, така че дори малък моментен импулс на затвора е достатъчен, за да завърти анода към катодната проводимост в пълен превключвател.

Горната функция позволява да се сравнява SCR и да се разглежда като бистабилна ключалка, притежаваща двете стабилни състояния, или пълно включено, или пълно изключено. Това се дължи на двете специални характеристики на SCR в отговор на AC или DC входове, както е обяснено в горните раздели.

Как да използвам портата на SCR, за да контролирам превключването му

Както беше обсъдено по-рано, след като SCR се задейства с постоянен ток и неговият аноден катод е самозаключен, това може да бъде отключено или изключено или чрез моментно премахване на източника на анодно захранване (аноден ток Ia) напълно, или чрез намаляване на същото до някои значително ниско ниво под определения задържащ ток на устройството или „минималния задържащ ток“ Ih.

Това означава, че минималният задържащ ток от анод към катод трябва да бъде намален, докато вътрешната P-N фиксираща връзка на тиристорите не успее да възстанови своята естествена блокираща функция в действие.

Следователно това също означава, че за да се направи SCR работа или провеждане с затвор на затвора, е наложително анодът към тока на натоварване на катода да е над посочения 'минимален задържащ ток' Ih, в противен случай SCR може да не успее да осъществи проводимостта на товара, следователно ако IL е токът на натоварване, това трябва да е като IL> IH.

Както вече беше обсъдено в предишните раздели, когато AC се използва през SCR Anode.Cathode щифтове, гарантира, че SCR няма право да изпълнява заключващия ефект, когато задвижването на порта е премахнато.

Това е така, защото сигналът за променлив ток се включва и изключва в рамките на своята нулева линия на пресичане, която поддържа SCR анода към катоден ток, за да се изключи при всяко изместване на 180 градуса на положителния полуцикъл на променливотоковата форма.

Това явление се нарича „естествена комутация“ и налага решаваща характеристика на SCR проводимостта. Противно на това при доставките на постоянен ток, тази функция става несъществена за SCR.

Но тъй като SCR е проектиран да се държи като токоизправител диод, той реагира ефективно само на положителните полуцикли на AC и остава обърнат пристрастен и напълно не реагира на другия половин цикъл на AC, дори в присъствието на портален сигнал.

Това предполага, че в присъствието на спусъка на затвора, SCR провежда през анода си до катода само за съответните положителни полуцикли на променлив ток и остава заглушен за останалите полуцикли.

Поради горната обяснена функция на фиксиране, а също и прекъсването по време на другия полуцикъл на AC форма на вълната, SCR може ефективно да се използва за нарязване на фазови AC цикли, така че натоварването да може да се превключва при всяко желано (регулируемо) по-ниско ниво на мощност .

Известна още като фазов контрол, тази функция може да бъде реализирана чрез външен синхронизиран сигнал, приложен през портата на SCR. Този сигнал решава след колко закъснение може да се задейства SCR, след като фазата на променлив ток започне своя положителен половин цикъл.

Така че това позволява да се превключва само онази част от променливотоковата вълна, която се предава след спусъка на затвора .. този фазов контрол е сред основните характеристики на силициево управлявания тиристор.

Как работят тиристорите (SCR) във фазово управление може да се разбере, като се разгледат изображенията по-долу.

Първата диаграма показва SCR, чийто затвор е задействан постоянно, както може да се види на първата диаграма, което позволява пълната положителна форма на вълната да се инициира от началото до края, тази от централната линия за пресичане на нула.

Тиристорен фазов контрол

В началото на всеки положителен полупериод SCR е „OFF“. При индукцията на напрежението на затвора активира SCR в проводимост и му позволява да бъде изцяло фиксиран „ON“ през целия положителен половин цикъл. Когато тиристорът е включен в началото на полуцикъла (θ = 0o), свързаният товар (лампа или друг подобен) ще бъде „ВКЛ.“ За целия положителен цикъл на променливотоковата форма на променлив ток (полувълнова ректифицирана AC) ) при повишено средно напрежение от 0,318 x Vp.

Тъй като инициализацията на превключвателя на вратата се повдига по време на полуцикъла (θ = 0o до 90o), свързаната лампа свети за по-малко време и нетното напрежение, подадено към лампата, също пропорционално по-малко, намалявайки нейната интензивност.

Впоследствие е лесно да се използва управляван от силиций токоизправител като променлив светлинен димер и в много различни допълнителни приложения за променливотоково захранване, например: контрол на скоростта на променлив ток, устройства за контрол на топлината и схеми на регулатора на мощността и т.н.

Досега сме били свидетели, че тиристорът по същество е полувълново устройство, което е в състояние да предава ток само в положителната половина на цикъла, когато анодът е положителен и предотвратява протичането на ток точно като диод в случаите, когато анодът е отрицателен , дори ако токът на портата остава активен.

Независимо от това можете да намерите много повече варианти на подобни полупроводникови продукти, от които да изберете, които произхождат под заглавието „Тиристор“, проектирани да работят в двете посоки на полуциклите, на пълновълнови модули или биха могли да бъдат изключени от сигнала на порта .

Този вид продукти включват „Тиристори за изключване на портата“ (GTO), „Тиристори със статична индукция“ (SITH), „MOS контролирани тиристори“ (MCT), „Силиконов контролиран превключвател“ (SCS), „триодни тиристори“ (TRIAC) и „Тиристори, задействани от светлина“ (LASCR), за да идентифицират няколко, като толкова много от тези устройства са достъпни в много различни напрежения и токове, което ги прави интересни за използване при цели при много високи нива на мощност.

Тиристорен работен преглед

Контролирани от силиций токоизправители, известни като тиристори, са полупроводникови PNPN полупроводникови устройства, които могат да се считат за два взаимосвързани транзистора, които можете да използвате при превключване на тежки електрически товари, работещи в мрежа.

Те се характеризират с фиксиране - „ON“ чрез единичен импулс на положителен ток, приложен към техния изход на портата и могат да продължат да бъдат „ON“ безкрайно, докато токът на анода към катода не бъде намален под определената от тях минимална мярка за фиксиране или обърнат.

Статични атрибути на тиристор

Тиристорите са полупроводниково оборудване, конфигурирано да функционира само в превключващата функция. Тиристорите са контролирани по ток продукти, а малък ток на портата е в състояние да контролира по-значителен аноден ток. Позволява ток само веднъж пристрастен напред и задействащ ток, приложен към портата.

Тиристорът работи подобно на токоизправител диод, когато се случи да бъде активиран „ON“. Анодният ток трябва да бъде повече от поддържащ ток, за да се запази проводимостта. Инхибира преминаването на ток в случай на обратна пристрастност, независимо дали е поставен или не токът на портата.

Веднага щом се включи „ON“, получава заключено „ON“ изпълнение независимо дали се прилага ток на затвора, но само в случай, че анодният ток е над тока на заключване.

Тиристорите са бързи превключватели, които можете да използвате, за да замените електромеханичните релета в редица вериги, тъй като те просто нямат вибрационни части, нямат контактна дъга или имат проблеми с влошаване или замърсяване.

Но в допълнение към простото превключване на значителни токове 'ON' и 'OFF', тиристорите могат да бъдат постигнати за управление на RMS стойността на променлив ток на натоварване, без да се разсейва значително количество мощност. Отличен пример за управление на мощността на тиристора е управлението на електрическото осветление, нагревателите и скоростта на двигателя.

В следващия урок ще разгледаме някои основни Тиристорни схеми и приложения като се използват както AC, така и DC захранвания.