Jak fungují tyristory (SCR) - výuka

V podstatě SCR (Silicon Controlled Rectifier), který je také známý pod názvem Thyristor, funguje docela jako tranzistor.

Co znamená SCR

Zařízení dostává svůj název (SCR) díky své vícevrstvé vnitřní struktuře polovodičů, která odkazuje na slovo „křemík“ na začátku svého názvu.

Druhá část názvu „Controlled“ se týká terminálu brány zařízení, který je přepínán externím signálem za účelem ovládání aktivace zařízení, a tedy slova „Controlled“.

A termín „usměrňovač“ označuje usměrňovací vlastnost SCR, když je spuštěna její brána a je umožněno protékat energií přes její anodové ke katodové svorce, může to být podobné usměrnění s usměrňovací diodou.

Výše uvedené vysvětlení objasňuje, jak zařízení funguje jako „Silicon Controlled Rectifier“.

Ačkoli SCR usměrňuje jako dioda a napodobuje tranzistor díky své spouštěcí funkci s externím signálem, vnitřní konfigurace SCR se skládá ze čtyřvrstvého polovodičového uspořádání (PNPN), které jsou na rozdíl od diody, která je tvořena 3 sériovými PN přechody. má dvouvrstvý (PN) nebo tranzistor, který zahrnuje třívrstvou (PNP / NPN) polovodičovou konfiguraci.

Na následujícím obrázku můžete zjistit, jak porozumět vnitřnímu uspořádání vysvětlených spojů polovodičů a jak fungují tyristory (SCR).

Další vlastností SCR, která se zřetelně shoduje s diodou, je její jednosměrná charakteristika, která umožňuje, aby proud protékal pouze jedním směrem, a blokoval z druhé strany, zatímco je zapnutý, protože SCR mají jinou specializovanou povahu, která jim umožňuje provozovat jako otevřený spínač v režimu vypnuto.

Tyto dva extrémní režimy přepínání v SCR omezují tato zařízení v zesilování signálů a tyto nelze použít jako tranzistory pro zesílení pulzujícího signálu.

Křemíkem řízené usměrňovače nebo SCR stejně jako Triacs, Diacs nebo UJT, které všechny mají tu vlastnost, že fungují jako rychle se spínající polovodičové střídavé spínače při regulaci daného střídavého potenciálu nebo proudu.

Takže pro inženýry a fandy se tato zařízení stávají vynikající volbou polovodičového spínače, pokud jde o regulaci střídavých spínacích zařízení, jako jsou lampy, motory, stmívače s maximální účinností.

SCR je 3koncové polovodičové zařízení, které je přiřazeno jako anoda, katoda a brána, které jsou zase interně vyrobeny pomocí 3 P-N spojů, které mají schopnost přepínat velmi vysokou rychlostí.

Zařízení lze tedy zapnout libovolnou požadovanou rychlostí a diskrétně nastavit periody zapnutí / vypnutí pro implementaci konkrétního průměrného času zapnutí nebo vypnutí do zátěže.

Technicky lze rozložení SCR nebo tyristoru pochopit jeho porovnáním s několika tranzistory (BJT) připojenými v pořadí od sebe, aby se vytvořily jako doplňující se regenerativní dvojice přepínačů, jak je znázorněno na následujícím obrázku :

Tyristory, analogové dva tranzistory

Obvod ekvivalentního dvou tranzistorů ukazuje, že kolektorový proud tranzistoru TRN NPN se napájí přímo do základny tranzistoru PNP TR1, zatímco kolektorový proud TR1 se napájí do základny TR2.

Tyto dva vzájemně propojené tranzistory se navzájem spoléhají na vedení, protože každý tranzistor získává proud báze-emitor z proudu kolektoru-emitoru druhého. Takže dokud jeden z tranzistorů nedostane nějaký základní proud, nemůže se nic stát, i když je přítomno napětí mezi anodou a katodou.

Simulace topologie SCR pomocí integrace se dvěma tranzistory odhaluje, že formace probíhá takovým způsobem, že kolektorový proud tranzistoru NPN dodává přímo na základnu PNP tranzistoru TR1, zatímco kolektorový proud TR1 spojuje napájení s základna TR2.

Simulovaná konfigurace dvou tranzistorů se zdá, že se vzájemně blokují a doplňují vedení přijímáním základního pohonu z proudu kolektorového emitoru druhého, což činí napětí brány velmi zásadní a zajišťuje, že zobrazená konfigurace nemůže nikdy fungovat, dokud není použit potenciál brány, i za přítomnosti anody na katodě může být potenciál trvalý.

V situaci, kdy je anodový vodič zařízení negativnější než jeho katoda, umožňuje, aby křižovatka N-P zůstala předpjatá dopředu, ale zajišťuje, aby vnější křižovatky P-N byly předpjaté tak, aby fungovala jako standardní usměrňovací dioda.

Tato vlastnost SCR mu umožňuje blokovat tok zpětného proudu, dokud není na uvedených vodičích způsobena výrazně vysoká velikost napětí, které může být nad jeho zobákem, což způsobí, že SCR bude provádět i bez pohonu brány .

Výše uvedené se týká kritických charakteristik tyristorů, které mohou způsobit nežádoucí spouštění zařízení reverzním vysokonapěťovým hrotem a / nebo vysokou teplotou nebo rychle rostoucím přechodovým napětím dv / dt.

Nyní předpokládejme, že v situaci, kdy anodový terminál zažívá pozitivnější výsledky, pokud jde o jeho katodový vývod, to pomáhá vnějšímu P-N křižovatce předpětí, i když centrální N-P křižovatka nadále zůstává zpětně předpjatá. To následně zajišťuje, že je blokován také dopředný proud.

Proto v případě, že pozitivní signál indukovaný přes základnu NPN tranzistoru TR2 vede k průchodu kolektorového proudu směrem k základně f TR1, což v trunu nutí kolektorový proud procházet směrem k PNP tranzistoru TR1, což zvyšuje základní pohon TR2 a proces se posílí.

Výše uvedená podmínka umožňuje dvěma tranzistorům zlepšit jejich vedení až do bodu nasycení díky jejich ukázané zpětnovazební smyčce regenerativní konfigurace, která udržuje situaci vzájemně propojenou a zajištěnou.

Jakmile je tedy spuštěn SCR, umožňuje proud protékat z jeho anody na katodu pouze s minimálním dopředným odporem kolem přicházejícího v cestě, což zajišťuje efektivní vedení a provoz zařízení.

Když je vystaven střídavému proudu, může SCR blokovat oba cykly střídavého proudu, dokud není SCR nabídnuto spouštěcím napětím přes jeho hradlo a katodu, což okamžitě umožňuje pozitivnímu polovičnímu cyklu střídavého proudu projít přes anodové katodové vodiče a zařízení začne napodobovat standardní usměrňovací diodu, ale pouze pokud je spoušť brány zapnutá, dojde k přerušení vedení v okamžiku, kdy je spoušť brány odstraněna.

Křivky vynucených charakteristik napětí-proudu nebo I-V pro aktivaci křemíkem řízeného usměrňovače lze vidět na následujícím obrázku:

Tyristorové charakteristiky I-V

Avšak u stejnosměrného vstupu, jakmile je tyristor spuštěn ZAPNUTO, kvůli vysvětlenému regeneračnímu vedení prochází blokovací akcí, takže vedení anoda ke katodě drží a udržuje vedení, i když je spouštěč brány odstraněn.

Pro stejnosměrný proud tedy brána zcela ztrácí svůj vliv, jakmile je první spouštěcí impuls aplikován přes bránu zařízení, čímž je zajištěn blokovaný proud z jeho anody na katodu. Může být přerušeno krátkodobým přerušením zdroje proudu anoda / katoda, když je brána zcela neaktivní.

SCR nemůže fungovat jako BJT

SCR nejsou navrženy tak, aby byly dokonale analogické jako protějšky tranzistorů, a proto je nelze provést tak, aby vedly v určité střední aktivní oblasti pro zátěž, která může být někde mezi úplným vedením a vypnutím konkurence.

To je také pravda, protože hradlová spoušť nemá žádný vliv na to, jak moc může být anoda ke katodě vedena nebo nasycena, takže i malý momentální hradlový pulz stačí k tomu, aby se vedení anody ke katodě přeplo na úplné zapnutí.

Výše uvedená funkce umožňuje porovnat SCR a považovat ji za bistabilní západku, která má dva stabilní stavy, buď úplné zapnutí nebo úplné vypnutí. To je způsobeno dvěma zvláštními charakteristikami SCR v reakci na AC nebo DC vstupy, jak je vysvětleno ve výše uvedených částech.

Jak používat bránu SCR k ovládání jejího přepínání

Jak již bylo zmíněno výše, jakmile je SCR spuštěn se stejnosměrným vstupem a jeho anodová katoda je automaticky zajištěna, lze ji odemknout nebo vypnout buď okamžitým úplným odstraněním zdroje anodového proudu (anodový proud Ia), nebo jeho snížením na některou výrazně nízká úroveň pod stanoveným přídržným proudem zařízení nebo „minimálním přídržným proudem“ Ih.

To znamená, že minimální přídržný proud mezi anodou a katodou by měl být snížen, dokud vnitřní blokovací vazba tyristorů P-N nebude schopna obnovit svou přirozenou blokovací funkci v akci.

To tedy také znamená, že aby SCR fungoval nebo řídil spouštěčem brány, je bezpodmínečně nutné, aby proud zátěže anody ke katodě přesahoval specifikovaný „minimální přídržný proud“ Ih, jinak by SCR mohlo selhat při provádění zátěžového vedení, proto pokud IL je proud zátěže, musí to být IL> IH.

Jak již však bylo popsáno v předchozích částech, když se AC použije přes kolíky SCR Anode.Cathode, zajistí, že SCR nebude moci provést západkový efekt při odebrání brány.

Důvodem je to, že střídavý signál se zapíná a vypíná v rámci své nulové linie, která udržuje proud anody SCR na katodový proud, aby se vypínal při každém posunutí kladného polovičního cyklu tvaru vlny AC o 180 stupňů.

Tento jev se nazývá „přirozená komutace“ a vnucuje SCR vedení zásadní rys. Na rozdíl od stejnosměrného napájení je tato funkce u SCR nepodstatná.

Ale protože SCR je navržen tak, aby se choval jako usměrňovací dioda, účinně reaguje pouze na kladné poloviční cykly střídavého proudu a zůstává obráceně předpjatý a zcela nereaguje na druhou polovinu cyklu střídavého proudu, a to ani v přítomnosti hradlového signálu.

To znamená, že v přítomnosti hradlového spouště SCR vede přes svou anodu ke katodě pouze pro příslušné pozitivní poloviční cykly AC a zůstává ztlumený pro ostatní poloviční cykly.

Vzhledem k výše vysvětlené blokovací funkci a také odpojení během druhé poloviny cyklu tvaru vlny AC lze SCR efektivně použít pro sekání fázových cyklů střídavého proudu, takže zátěž lze přepnout na libovolnou požadovanou (nastavitelnou) nižší úroveň výkonu .

Tato funkce, známá také jako fázové řízení, může být implementována prostřednictvím externího časovaného signálu aplikovaného přes bránu SCR. Tento signál rozhoduje o tom, o kolik zpoždění může být aktivován SCR, jakmile AC fáze zahájí svůj kladný poloviční cyklus.

To tedy umožňuje přepínat pouze tu část střídavé vlny, která je předávána po spouštěči hradla ... tato fázová regulace patří mezi hlavní rysy tyristoru řízeného křemíkem.

Jak tyristory (SCR) fungují při fázovém řízení, lze pochopit na obrázcích níže.

První diagram ukazuje SCR, jehož brána je trvale spuštěna, jak je patrné z prvního diagramu, což umožňuje iniciovat kompletní pozitivní průběh od začátku do konce, tj. Přes středovou čáru procházející nulou.

Tyristorové fázové řízení

Na začátku každého pozitivního polocyklu je SCR „VYPNUTO“. Při indukci hradlového napětí aktivuje SCR vedení a umožňuje jeho úplné zablokování „ZAPNUTO“ během kladného polovičního cyklu. Když je tyristor zapnut na začátku půlcyklu (θ = 0o), připojená zátěž (lampa nebo něco podobného) bude „ZAPNUTO“ pro celý kladný cyklus tvaru vlny AC (půlvlna usměrněná AC ) při zvýšeném průměrném napětí 0,318 x Vp.

Jakmile se inicializace hradlového spínače ON zvýší v průběhu polovičního cyklu (θ = 0 ° až 90 °), připojená lampa se rozsvítí na menší dobu a síťové napětí přivedené k lampě se proporcionálně zmenší a tím se sníží její intenzita.

Následně je snadné využít usměrňovač řízený křemíkem jako stmívač střídavého světla a v mnoha různých dalších aplikacích střídavého napájení, například: řízení otáček motoru střídavého proudu, zařízení pro řízení tepla a obvody regulátoru výkonu atd.

Doposud jsme byli svědky toho, že tyristor je v zásadě půlvlnné zařízení, které je schopné přenášet proud pouze v kladné polovině cyklu, kdykoli je anoda kladná, a brání toku proudu stejně jako dioda v případech, kdy je anoda záporná , i když proud brány zůstává aktivní.

Přesto můžete najít mnohem více variant podobných polovodičových produktů, z nichž si můžete vybrat, které vznikají pod názvem „Tyristor“, navržené pro provoz v obou směrech polovičních cyklů, plných vln, nebo by mohly být vypnuty „VYPNUTY“ signálem Gate .

Tento druh produktů zahrnuje „Gate Turn-OFF Thyristors“ (GTO), „Static Induction Thyristors“ (SITH), „MOS Controlled Thyristors“ (MCT), „Silicon Controlled Switch“ (SCS), „Triode Thyristors“ (TRIAC) a „Light Triggered Thyristors“ (LASCR) k identifikaci několika z nich, přičemž tolik těchto zařízení je přístupných v mnoha různých hodnotách napětí a proudu, což je činí zajímavými pro použití při velmi vysokých úrovních výkonu.

Přehled práce tyristoru

Křemíkem řízené usměrňovače známé obecně jako tyristory jsou polovodičová zařízení PNPN se třemi spoji, která lze považovat za dva vzájemně propojené tranzistory, které můžete použít při spínání velkých elektrických zátěží napájených ze sítě.

Jsou charakterizovány tak, že jsou blokovány - „ZAPNUTY“ jediným pulzem kladného proudu aplikovaného na jejich vodič brány a mohou být trvale „ZAPNUTY“, dokud proud anody na katodu není snížen pod jejich specifikovanou minimální míru blokování nebo obráceně.

Statické atributy tyristoru

Tyristory jsou polovodičová zařízení konfigurovaná tak, aby fungovala pouze ve spínací funkci. Tyristory jsou produkty řízené proudem, malý hradlový proud je schopen řídit podstatnější proud anody. Umožňuje proud pouze jednou předpjatý a spouštěcí proud aplikovaný na bránu.

Tyristor pracuje podobně jako usměrňovací dioda, kdykoli je aktivován „ZAPNUTO“. Anodový proud musí být více než udržování hodnoty proudu, aby se zachovalo vedení. Inhibuje průchod proudu v případě, že je předpjatý, bez ohledu na to, zda je nebo není zapnut proud Gate.

Jakmile je nastaveno na „ON“, dojde k zablokování „ON“ bez ohledu na to, zda je aplikován proud brány, ale pouze v případě, že je anodový proud vyšší než blokovací proud.

Tyristory jsou rychlé spínače, které můžete použít k nahrazení elektromechanických relé v řadě obvodů, protože prostě nemají žádné vibrující části, žádný elektrický oblouk nebo problémy se zhoršením nebo znečištěním.

Ale kromě jednoduchého přepínání podstatných proudů „ZAPNUTO“ a „VYPNUTO“ lze dosáhnout tyristorů pro správu RMS hodnoty střídavého zatěžovacího proudu bez ztráty značného množství energie. Vynikajícím příkladem řízení výkonu tyristoru je ovládání elektrického osvětlení, ohřívačů a otáček motoru.

V dalším tutoriálu se podíváme na některé základní Tyristorové obvody a aplikace pomocí střídavého i stejnosměrného napájení.