Hoe thyristors (SCR) werken - zelfstudie

In feite werkt een SCR (Silicon Controlled Rectifier), ook bekend onder de naam Thyristor, als een transistor.

Waar SCR voor staat

Het apparaat dankt zijn naam (SCR) vanwege de meerlagige interne halfgeleiderstructuur die verwijst naar het 'silicium'-woord in het begin van de naam.

Het tweede deel van de naam 'Gecontroleerd' verwijst naar de poortterminal van het apparaat, die wordt geschakeld met een extern signaal om de activering van het apparaat te regelen, en vandaar het woord 'Gecontroleerd'.

En de term 'Gelijkrichter' duidt de gelijkrichtende eigenschap van de SCR aan wanneer de poort wordt geactiveerd en het vermogen over de anode naar kathodeklemmen kan stromen, dit kan vergelijkbaar zijn met de gelijkrichting met een gelijkrichterdiode.

Bovenstaande uitleg maakt duidelijk hoe het apparaat werkt als een 'Silicon Controlled Rectifier'.

Hoewel een SCR gelijkricht als een diode en een transistor imiteert vanwege zijn triggeringseigenschap met een extern signaal, bestaat een interne SCR-configuratie uit een vierlaagse halfgeleideropstelling (PNPN) die bestaat uit 3 series PN-juncties, in tegenstelling tot een diode die heeft een 2-laags (PN) of een transistor die een drielagige (PNP / NPN) halfgeleiderconfiguratie omvat.

U kunt de volgende afbeelding raadplegen om de interne lay-out van de verklaarde halfgeleiderovergangen te begrijpen en hoe thyristors (SCR) werken.

Een andere SCR-eigenschap die duidelijk overeenkomt met een diode, zijn de unidirectionele karakteristieken waardoor stroom er maar in één richting doorheen kan stromen en van de andere kant kan blokkeren terwijl deze is ingeschakeld, hoewel SCR's een andere gespecialiseerde aard hebben waardoor ze kunnen worden bediend als een open schakelaar in de UIT-modus.

Deze twee extreme schakelmodi in SCR's zorgen ervoor dat deze apparaten geen signalen kunnen versterken en deze kunnen niet worden gebruikt als transistors voor het versterken van een pulserend signaal.

De siliciumgestuurde gelijkrichters of de SCR's, net als Triacs, Diacs of UJT's, die allemaal de eigenschap hebben te werken als snel schakelende solid-state AC-schakelaars terwijl ze een gegeven AC-potentiaal of -stroom regelen.

Dus voor ingenieurs en hobbyisten worden deze apparaten een uitstekende solid-state schakelaaroptie als het gaat om het regelen van AC-schakelapparatuur zoals lampen, motoren, dimmerschakelaars met maximale efficiëntie.

Een SCR is een halfgeleiderapparaat met drie aansluitingen die zijn toegewezen als anode, kathode en de poort, die op hun beurt intern zijn gemaakt met 3 P-N-overgangen, met de eigenschap om met een zeer hoge snelheid te schakelen.

Zo kan de inrichting met elke gewenste snelheid worden geschakeld en discreet AAN / UIT-perioden worden ingesteld, voor het implementeren van een bepaalde gemiddelde AAN- of UIT-tijd van een belasting.

Technisch gezien kan de lay-out van een SCR of een thyristor worden begrepen door deze te vergelijken met een paar transistors (BJT) die in de back-to-back-volgorde zijn aangesloten, zodat ze een complementair regeneratief paar schakelaars vormen, zoals weergegeven in de volgende afbeelding :

Thyristoren Twee transistoranalogie

Het equivalentcircuit met twee transistoren laat zien dat de collectorstroom van de NPN-transistor TR2 rechtstreeks naar de basis van de PNP-transistor TR1 wordt gevoerd, terwijl de collectorstroom van TR1 naar de basis van TR2 wordt gevoerd.

Deze twee onderling verbonden transistors vertrouwen op elkaar voor geleiding, aangezien elke transistor zijn basis-emitterstroom krijgt van de andere collector-emitterstroom. Dus totdat een van de transistors wat basisstroom krijgt, kan er niets gebeuren, zelfs niet als er een anode-naar-kathodespanning aanwezig is.

Door de SCR-topologie te simuleren met een integratie met twee transistoren, blijkt dat de formatie zodanig is dat de collectorstroom van de NPN-transistor rechtstreeks naar de basis van de PNP-transistor TR1 wordt geleid, terwijl de collectorstroom van TR1 de voeding verbindt met de basis van TR2.

De gesimuleerde twee transistorconfiguraties lijken in elkaar te grijpen en elkaars geleiding aan te vullen door de basisaandrijving te ontvangen van de collector-emitterstroom van de andere, dit maakt de poortspanning erg cruciaal en zorgt ervoor dat de getoonde configuratie nooit kan geleiden totdat een poortpotentiaal wordt toegepast, zelfs in de aanwezigheid van de anode-tot-kathodepotentiaal kan dit persistent zijn.

In een situatie waarin de anodekabel van het apparaat negatiever is dan de kathode, kan de N-P-overgang voorwaarts voorgespannen blijven, maar ervoor zorgen dat de buitenste P-N-overgangen in tegengestelde richting worden voorgespannen, zodat deze werkt als een standaard gelijkrichterdiode.

Deze eigenschap van een SCR stelt het in staat om een ​​tegenstroom te blokkeren, totdat een aanzienlijk hoge spanning, die mogelijk buiten de specificaties van de snavel valt, wordt toegebracht over de genoemde kabels, waardoor de SCR gedwongen wordt te geleiden, zelfs als er geen poortaandrijving is. .

Het bovenstaande verwijst naar een kritische karakteristiek van thyristors die ervoor kunnen zorgen dat het apparaat ongewenst wordt geactiveerd door een omgekeerde hoogspanningspiek en / of een hoge temperatuur, of een snel toenemende dv / dt-spanningsovergang.

Stel nu dat in een situatie waarin de anode-aansluiting positiever ervaart met betrekking tot de kathodedraad, dit helpt om de buitenste P-N-overgang voorwaarts voorgespannen te krijgen, hoewel de centrale N-P-overgang in tegengestelde richting blijft voorgespannen. Dit zorgt er dus voor dat de voorwaartse stroom ook wordt geblokkeerd.

Daarom, in het geval dat een positief signaal geïnduceerd over de basis van de NPN-transistor TR2 resulteert in de doorgang van de collectorstroom naar de basis f TR1, die in trun de collectorstroom dwingt om naar de PNP-transistor TR1 te gaan, waardoor de basisaandrijving van TR2 en de proces wordt versterkt.

De bovenstaande toestand stelt de twee transistoren in staat hun geleiding te verbeteren tot het punt van verzadiging dankzij hun getoonde regeneratieve configuratie-terugkoppellus die de situatie in elkaar grijpt en vergrendeld houdt.

Dus zodra de SCR wordt geactiveerd, laat het een stroom lopen van de anode naar de kathode met slechts een minimale voorwaartse weerstand van rond die in het pad komt, waardoor een efficiënte geleiding en werking van het apparaat wordt gegarandeerd.

Wanneer de SCR wordt blootgesteld aan een wisselstroom, kan de SCR beide cycli van de wisselstroom blokkeren totdat de SCR wordt aangeboden met een triggerspanning over zijn poort en kathode, waardoor de positieve halve cyclus van de wisselstroom onmiddellijk over de anodekathodekabels kan gaan, en het apparaat begint een standaard gelijkrichterdiode te imiteren, maar alleen zolang de poorttrekker AAN blijft, wordt de geleiding onderbroken zodra de poorttrekker wordt verwijderd.

De afgedwongen spanningsstroom- of I-V-karakteristiekencurves voor de activering van een siliciumgestuurde gelijkrichter kunnen worden gezien in de volgende afbeelding:

Thyristor I-V karakteristieken Curves

Echter, voor een DC-ingang, zodra de thyristor wordt geactiveerd, ondergaat deze vanwege de verklaarde regeneratieve geleiding een vergrendelende actie zodat de anode-naar-kathodegeleiding vasthoudt en blijft geleiden, zelfs als de poorttrekker wordt verwijderd.

Voor een gelijkstroomvermogen verliest de poort dus volledig zijn invloed zodra de eerste triggerpuls over de poort van het apparaat wordt aangelegd, waardoor een vergrendelde stroom van zijn anode naar kathode wordt gewaarborgd. Het kan worden verbroken door de stroombron van de anode / kathode tijdelijk te onderbreken terwijl de poort volledig inactief is.

SCR kan niet werken als BJT's

SCR is niet ontworpen om perfect analoog te zijn, zoals de transistor-tegenhangers, en kan daarom niet geleid worden naar een tussenliggend actief gebied voor een belasting die ergens tussen volledige geleiding en concurrerende UIT-schakelaar kan liggen.

Dit is ook waar omdat de poorttrekker geen invloed heeft op hoeveel de anode naar kathode kan geleiden of verzadigen, dus zelfs een kleine tijdelijke poortpuls is voldoende om de anode-naar-kathodegeleiding volledig AAN te zetten.

Met de bovenstaande functie kan een SCR worden vergeleken en beschouwd als een bistabiele vergrendeling die de twee stabiele toestanden heeft, ofwel volledig AAN of volledig UIT. Dit wordt veroorzaakt door de twee speciale kenmerken van de SCR in reactie op een AC- of DC-ingang, zoals uitgelegd in de bovenstaande secties.

Hoe u de poort van een SCR gebruikt om het schakelen te regelen

Zoals eerder besproken, kan zodra een SCR wordt getriggerd met een DC-ingang en de anodekathode zelfvergrendeld is, deze ontgrendeld of uitgeschakeld worden door ofwel de anodetoevoerbron (anodestroom Ia) tijdelijk volledig te verwijderen, of door deze tot aanzienlijk laag niveau onder de gespecificeerde houdstroom van het apparaat of de 'minimale houdstroom' Ih.

Dit houdt in dat de minimale houdstroom van de anode naar de kathode moet worden verlaagd totdat de interne P-N-vergrendelingsverbinding van de thyristor in staat is om zijn natuurlijke blokkeerfunctie in actie te herstellen.

Daarom betekent dit ook dat om een ​​SCR te laten werken of geleiden met een poorttrekker, het absoluut noodzakelijk is dat de anode-naar-kathodebelastingsstroom hoger is dan de gespecificeerde 'minimale houdstroom' Ih, anders kan de SCR de belastingsgeleiding niet implementeren, daarom als IL de belastingsstroom is, moet dit zijn als IL> IH.

Zoals echter al besproken in de vorige secties, zorgt het ervoor dat de SCR het vergrendelende effect niet mag uitvoeren wanneer een AC wordt gebruikt over de SCR-anode. Kathodepennen wanneer de poortaandrijving wordt verwijderd.

Dit komt doordat het AC-signaal AAN en UIT wordt geschakeld binnen de nuldoorgangslijn die ervoor zorgt dat de SCR-anode naar kathodestroom wordt uitgeschakeld bij elke 180 graden verschuiving van de positieve halve cyclus van de AC-golfvorm.

Dit fenomeen wordt 'natuurlijke commutatie' genoemd en legt een cruciaal kenmerk op aan een SCR-geleiding. In tegenstelling tot dit met DC-voedingen, wordt deze functie niet van belang bij SCR's.

Maar aangezien een SCR is ontworpen om zich te gedragen als een gelijkrichterdiode, reageert deze alleen effectief op de positieve halve cycli van een AC en blijft hij omgekeerd voorgespannen en reageert hij helemaal niet op de andere halve cyclus van de AC, zelfs niet in de aanwezigheid van een poortsignaal.

Dit houdt in dat in de aanwezigheid van een poorttrekker, de SCR alleen over zijn anode naar kathode geleidt voor de respectievelijke positieve AC halve cycli en gedempt blijft gedurende de andere halve cycli.

Vanwege de hierboven toegelichte vergrendelingsfunctie en ook het uitschakelen tijdens de andere halve cyclus van een AC-golfvorm, kan de SCR effectief worden gebruikt voor het afsnijden van fase-AC-cycli, zodat de belasting kan worden geschakeld op elk gewenst (instelbaar) lager vermogensniveau .

Deze functie, ook wel fasecontrole genoemd, kan worden geïmplementeerd via een extern getimed signaal dat wordt aangelegd over de poort van de SCR. Dit signaal beslist na hoeveel vertraging de SCR mag worden geactiveerd zodra de wisselstroomfase zijn positieve halve cyclus is begonnen.

Hierdoor kan alleen dat deel van de wisselstroomgolf worden geschakeld dat wordt gepasseerd na de poorttrigger. Deze faseregeling is een van de belangrijkste kenmerken van een siliciumgestuurde thyristor.

Hoe thyristors (SCR) werken bij fasecontrole, kan worden begrepen door naar de onderstaande afbeeldingen te kijken.

Het eerste diagram toont een SCR waarvan de poort permanent wordt geactiveerd, zoals te zien is in het eerste diagram, waardoor de volledige positieve golfvorm van begin tot eind kan worden geïnitieerd, dat van over de centrale nuldoorgangslijn.

Thyristor Phase Control

Aan het begin van elke positieve halve cyclus is de SCR 'UIT'. Bij de inductie van de poortspanning activeert de SCR in geleiding en kan deze volledig 'AAN' worden vergrendeld gedurende de positieve halve cyclus. Wanneer de thyristor wordt ingeschakeld aan het begin van de halve cyclus (θ = 0o), zou de aangesloten belasting (een lamp of iets dergelijks) 'AAN' zijn voor de hele positieve cyclus van de wisselstroomgolfvorm (halfgolf gelijkgerichte wisselstroom). ) bij een verhoogde gemiddelde spanning van 0,318 x Vp.

Omdat de initialisatie van de poortschakelaar AAN wordt verhoogd gedurende de halve cyclus (θ = 0o tot 90o), wordt de aangesloten lamp voor een kleinere hoeveelheid tijd verlicht en neemt de netspanning die naar de lamp wordt gebracht evenredig minder af met de intensiteit ervan.

Vervolgens is het gemakkelijk om een ​​siliciumgestuurde gelijkrichter te gebruiken als een AC-lichtdimmer en in veel verschillende aanvullende AC-stroomtoepassingen, bijvoorbeeld: AC-motorsnelheidsregeling, warmteregelingsapparatuur en stroomregelaarcircuits, enzovoort.

Tot nu toe hebben we gezien dat een thyristor in wezen een halfgolfapparaat is dat in staat is om stroom door te laten in de positieve helft van de cyclus wanneer de anode positief is en stroom voorkomt net als een diode in gevallen waarin de anode negatief is. , zelfs als de poortstroom actief blijft.

Desalniettemin kunt u veel meer varianten van vergelijkbare halfgeleiderproducten vinden waaruit u kunt kiezen, die afkomstig zijn onder de titel 'Thyristor', ontworpen om te werken in beide richtingen van de halve cycli, dubbelzijdige eenheden, of kunnen worden 'UIT' geschakeld door het poortsignaal. .

Dit soort producten bevatten 'Gate Turn-OFF Thyristors' (GTO), 'Static Induction Thyristors' (SITH), 'MOS Controlled Thyristors' (MCT), 'Silicon Controlled Switch' (SCS), 'Triode Thyristors' (TRIAC) en 'Light Triggered Thyristors' (LASCR) om er een paar te identificeren, met zo veel van deze apparaten die toegankelijk zijn in veel verschillende spannings- en stroomwaarden, waardoor ze interessant zijn om te worden gebruikt voor doeleinden met zeer hoge vermogensniveaus.

Thyristor werkoverzicht

Siliciumgestuurde gelijkrichters, algemeen bekend als thyristors, zijn PNPN-halfgeleiderapparaten met drie juncties die kunnen worden beschouwd als twee onderling verbonden transistors die u kunt gebruiken bij het schakelen van zware elektrische belastingen op het lichtnet.

Ze worden gekenmerkt door 'AAN' te zijn vergrendeld door een enkele positieve stroompuls die wordt aangelegd op hun Gate-leiding en kunnen eindeloos 'AAN' blijven totdat de stroom van anode naar kathode wordt verlaagd tot onder hun gespecificeerde minimale vergrendelingsmaat of omgekeerd.

Statische attributen van een thyristor

Thyristors zijn halfgeleiderapparatuur die is geconfigureerd om alleen in de schakelfunctie te functioneren. Thyristor zijn stroomgestuurde producten, een kleine poortstroom kan een grotere anodestroom regelen. Schakelt stroom slechts eenmaal in voorwaarts voorgespannen en triggerende stroom die op de Gate wordt toegepast.

De thyristor werkt op dezelfde manier als een gelijkrichterdiode wanneer deze 'AAN' wordt geactiveerd. Anodestroom moet meer zijn dan het behouden van de huidige waarde om geleiding te behouden. Blokkeert de stroomdoorgang in het geval van tegengestelde voorspanning, ongeacht of de poortstroom is ingeschakeld of niet.

Zodra hij 'AAN' wordt gezet, wordt hij 'AAN' vergrendeld, ongeacht of er een poortstroom wordt toegepast, maar alleen als de anodestroom hoger is dan de vergrendelstroom.

Thyristors zijn snelle schakelaars die u kunt gebruiken om elektromechanische relais in een aantal circuits te vervangen, omdat ze simpelweg geen trillende onderdelen hebben, geen contactboogvorming of problemen hebben met slijtage of vuil.

Maar naast het simpelweg schakelen van substantiële stromen 'AAN' en 'UIT', kunnen thyristors worden bereikt om de RMS-waarde van een AC-belastingsstroom te beheren zonder een aanzienlijke hoeveelheid stroom te dissiperen. Een uitstekend voorbeeld van thyristor-vermogensregeling is de regeling van elektrische verlichting, verwarmingstoestellen en motorsnelheid.

In de volgende tutorial zullen we enkele basisprincipes bekijken Thyristorcircuits en toepassingen gebruikmakend van zowel AC- als DC-voedingen.