A tirisztorok (SCR) működése - oktatóanyag

Alapvetően egy SCR (szilícium-vezérelt egyenirányító), amelyet tirisztor néven is ismernek, egészen hasonlóan működik, mint egy tranzisztor.

Mire szolgál az SCR

Az eszköz a nevét (SCR) a többrétegű félvezető belső szerkezetének köszönhetően kapta, amely neve elején a „szilícium” szóra utal.

A „Vezérelt” név második része az eszköz kapu termináljára utal, amelyet külső jellel kapcsolnak az eszköz aktiválásának ellenőrzése céljából, és ezért a „Vezérelt” szó.

És a „Rectifier” kifejezés az SCR egyenirányító tulajdonságát jelenti, amikor a kapu beindul, és az áramot hagyják áramolni anódján keresztül a katódsorkapcsokig, ez hasonló lehet egy egyenirányító diódával történő egyenirányításhoz.

A fenti magyarázat egyértelművé teszi az eszköz működését, mint a „szilícium-vezérelt egyenirányító”.

Bár egy SCR egyenesen javít, mint egy dióda, és egy tranzisztort utánoz, kiváltó tulajdonsága miatt, külső jellel, az SCR belső konfigurációja négyrétegű félvezető elrendezésből (PNPN) áll, amelyek 3 sorozatú PN csatlakozásból állnak, ellentétben egy diódával, amely kétrétegű (PN) vagy tranzisztorral rendelkezik, amely háromrétegű (PNP / NPN) félvezető konfigurációt tartalmaz.

A következő képre hivatkozhat a megmagyarázott félvezetői csomópontok belső elrendezésének és a tirisztorok (SCR) működésének megértéséhez.

Egy másik SCR tulajdonság, amely egyértelműen illeszkedik a diódához, az egyirányú jellemzői, amelyek lehetővé teszik, hogy az áram csak egy irányban áramoljon rajta keresztül, és blokkolódjon a másik oldalról, miközben be van kapcsolva, mondván, hogy az SCR-knek van egy másik speciális jellege, amely lehetővé teszi azok működtetését nyitott kapcsolóként kikapcsolt KI módban.

Ez a két szélső kapcsolási mód SCR-ben korlátozza ezeket az eszközöket a jelek erősítésétől, és ezeket nem lehet használni, mint a tranzisztorokat a pulzáló jel erősítésére.

A szilícium-vezérlésű egyenirányítók vagy az SCR-k, csakúgy, mint a Triacs, Diacs vagy UJT-k, amelyek mindegyikének az a tulajdonsága, hogy gyorsan váltakozó szilárdtest-váltakozó áramú kapcsolókat végezzen, miközben szabályozza az adott váltakozó áram potenciálját vagy áramát.

Tehát a mérnökök és a hobbisták számára ezek az eszközök kiváló szilárdtest-kapcsoló lehetőséggé válnak, amikor a váltakozó áramú kapcsolóeszközöket - például lámpákat, motorokat és fényerő-szabályozó kapcsolókat - maximális hatékonysággal szabályozzák.

Az SCR egy 3 terminálos félvezető eszköz, amely anódként, katódként és kapuként van kijelölve, amelyek viszont belsőleg 3 P-N csomópontból készülnek, és nagyon nagy sebességgel kapcsolhatnak.

Így a készülék tetszőleges sebességgel kapcsolható, és diszkréten beállítható az ON / OFF periódusok egy adott átlagos BE vagy kikapcsolási idő terhelésre történő megvalósításához.

Technikailag az SCR vagy a tirisztor elrendezését úgy lehet megérteni, hogy összehasonlítjuk azt egy pár tranzisztorral (BJT), amelyek egymáshoz vannak kapcsolva, így egy kiegészítő regeneratív kapcsolópárként alakulnak ki, amint az a következő képen látható :

Tirisztorok Két tranzisztor analógia

A két tranzisztor egyenértékű áramkör azt mutatja, hogy a TR2 NPN tranzisztor kollektorárama közvetlenül a TR1 PNP tranzisztor alapjába táplálkozik, míg a TR1 kollektorárama a TR2 bázisába táplálkozik.

Ez a két egymással összekapcsolt tranzisztor egymásra támaszkodik a vezetőképesség szempontjából, mivel mindegyik tranzisztor az alap-emitter áramát a másik kollektor-emitter áramából kapja. Tehát amíg az egyik tranzisztor nem kap némi alapáramot, semmi sem történhet akkor is, ha anód-katód feszültség van jelen.

Az SCR topológia kéttranzisztoros integrációval történő szimulációja azt mutatja, hogy a képződés olyan legyen, hogy az NPN tranzisztor kollektorárama egyenesen a TR1 PNP tranzisztor aljához táplálkozik, míg a TR1 kollektorárama összeköti a tápfeszültséget az áramellátással. TR2 bázisa.

A szimulált két tranzisztor-konfiguráció úgy tűnik, hogy összekapcsolódik és kiegészíti egymás vezetését azáltal, hogy az alap meghajtót a másik kollektor-emitter áramától kapja, ez a kapu feszültségét nagyon elengedhetetlenné teszi, és biztosítja, hogy a bemutatott konfiguráció soha ne vezessen addig, amíg egy kapu potenciál ki nem kerül, az anód jelenléte esetén a katódpotenciál állandó lehet.

Abban a helyzetben, amikor az eszköz anódvezetése negatívabb, mint a katódja, lehetővé teszi az N-P csomópont előrefelé torzítását, de biztosítja a külső P-N csomópontok fordított előfeszítését oly módon, hogy úgy működik, mint egy szokásos egyenirányító dióda.

Az SCR ezen tulajdonsága lehetővé teszi a fordított áramáram blokkolását, amíg az említett vezetékeken jelentősen nagy feszültség lép fel, amely meghaladhatja a csőrét lefelé eső specifikációkat, ami arra kényszeríti az SCR-t, hogy kapuhajtás nélkül is viselkedjen .

A fentiek a tirisztorok kritikus jellemzőire utalnak, amelyek a készüléket nem kívánt módon aktiválhatják fordított nagyfeszültségű tüske és / vagy magas hőmérséklet, vagy gyorsan növekvő dv / dt feszültségű tranziens révén.

Tegyük fel, hogy egy olyan helyzetben, amikor az anódterminál pozitívabb a katódvezeték tekintetében, ez elősegíti a külső P-N csomópont előrehaladását, bár a központi N-P csomópont továbbra is fordított előfeszített marad. Ez következésképpen biztosítja, hogy az előremenő áram is blokkolva legyen.

Ezért abban az esetben, ha az TRN NPN tranzisztor bázisán indukált pozitív jel a kollektoráramnak az f TR1 bázis felé történő áthaladását eredményezi, amely trun-ban arra kényszeríti a kollektoráramot, hogy a TR2 bázismeghajtást fellendítő TR1 PNP tranzisztor felé haladjon. a folyamat megerősödik.

A fenti feltétel lehetővé teszi a két tranzisztor számára, hogy a telítettségig fokozza vezetőképességét a bemutatott regeneratív konfigurációs visszacsatolási hurok miatt, amely reteszeli és reteszeli a helyzetet.

Így amint az SCR beindul, lehetővé teszi, hogy az áram az anódjától a katódig áramoljon, és csak minimális előremenő ellenállás álljon körül, ami a pályára kerül, biztosítva a készülék hatékony vezetését és működését.

Ha váltakozó áramnak van kitéve, az SCR blokkolhatja az AC mindkét stílusát, amíg az SCR-t fel nem kínálják egy kiváltó feszültséggel a kapun és a katódon, ami azonnal lehetővé teszi, hogy az AC pozitív félciklusa áthaladjon az anódkatód vezetéken, és az eszköz elkezdi a szokásos egyenirányító dióda utánzását, de csak addig, amíg a kapuindító bekapcsolt állapotban marad, a vezetés megszakad abban a pillanatban, amikor a kapuindítót eltávolítják.

A szilícium-vezérlésű egyenirányító aktiválásához a kényszerített feszültség-áram vagy I-V jellemző görbék a következő képen láthatók:

Tirisztor I-V jellemzői görbék

Az egyenáramú bemenetnél azonban, amint a tirisztor bekapcsol, a megmagyarázott regeneratív vezetés miatt reteszelődésen megy keresztül, hogy a katód vezetőképességének anódja megtartsa és tovább vezesse akkor is, ha a kapuindítót eltávolítják.

Így egyenáramú áram esetén a kapu teljesen elveszíti befolyását, amint az első kiváltó impulzus átmegy a készülék kapuján, biztosítva a reteszelt áramot az anódjától a katódig. Megszakadhat az anód / katód áramforrás pillanatnyi megszakításával, miközben a kapu teljesen inaktív.

Az SCR nem működhet, mint a BJT-k

Az SCR-t nem úgy tervezték, hogy tökéletesen analóg legyen, mint a tranzisztor megfelelői, és ezért nem lehet arra késztetni, hogy valamely közbenső aktív régióban olyan terhelésre vezessen, amely valahol a teljes vezetés és a versenykapcsoló KI között lehet.

Ez azért is igaz, mert a kapuindítónak nincs befolyása arra, hogy a katódhoz vezető anód mennyire vezethető át vagy telítődik, így akár egy kis pillanatnyi kapuimpulzus is elegendő ahhoz, hogy az anódot a katódvezetéshez teljes BE kapcsolásba kapcsolja.

A fenti tulajdonság lehetővé teszi az SCR összehasonlítását és úgy tekinthető, mint egy bistabil reteszt, amelynek a két stabil állapota van, vagy teljesen BE vagy KI. Ennek oka az SCR két különös jellemzője, amely egy AC vagy DC bemenetekre adott válasz, a fenti szakaszokban leírtak szerint.

Hogyan használjuk az SCR kapuját kapcsolásának vezérléséhez

Amint azt korábban tárgyaltuk, ha egy SCR egy DC bemenettel aktiválódik, és anódkatódja önzáró, akkor ez feloldható vagy kikapcsolható az anódellátó forrás (Ia anódáram) pillanatnyi eltávolításával, vagy annak csökkentésével néhányra szignifikánsan alacsony szint alatt van a készülék megadott tartási áramának vagy a „minimális tartási áramnak” az alatt Ih.

Ez azt jelenti, hogy az anód-katód minimális tartási áramot addig kell csökkenteni, amíg a tirisztorok belső P-N reteszelő kötése vissza nem tudja állítani a természetes blokkoló tulajdonságát.

Ezért ez azt is jelenti, hogy egy SCR működéséhez vagy működéséhez egy kapuindítóval feltétlenül szükséges, hogy az anód-katód terhelési áram meghaladja a meghatározott „minimális tartási áramot” Ih, különben az SCR nem képes megvalósítani a terhelés vezetését, ezért ha az IL a terhelési áram, akkor ennek az IL> IH értéknek kell lennie.

Mindazonáltal, amint azt az előző szakaszokban már említettük, amikor váltakozó áramot használnak az SCR anódon keresztül. A katód csapok biztosítják, hogy az SCR ne hajthassa végre a reteszelő hatást, amikor a kapu meghajtót eltávolítják.

Ennek oka, hogy az AC jel be- és kikapcsol a nulla keresztezési vonalán belül, ami az SCR anódot katódáramra tartja, hogy az AC hullámforma pozitív félciklusának minden 180 fokos elmozdulásakor kikapcsoljon.

Ezt a jelenséget „természetes kommutációnak” nevezik, és az SCR vezetőképességének alapvető jellemzője. Ezzel ellentétben a DC tápegységekkel ez a funkció lényegtelenné válik az SCR-ekkel.

De mivel az SCR-t úgy tervezték, hogy egyenirányító diódaként viselkedjen, csak az AC pozitív félciklusaira reagál hatékonyan, és továbbra is torzítva marad, és teljesen nem reagál az AC másik félciklusára, még kapujel jelenlétében sem.

Ez azt jelenti, hogy egy kapuindító jelenlétében az SCR anódján keresztül csak a megfelelő pozitív AC félciklusokig vezeti katódot, és a többi fél ciklusnál elnémul.

A fent ismertetett reteszelő tulajdonságnak, valamint az AC hullámalak másik félciklusának bevágásának köszönhetően az SCR hatékonyan alkalmazható a fázis AC ciklusainak aprítására, így a terhelés bármely kívánt (állítható) alacsonyabb teljesítményszintnél kapcsolható .

A fázisvezérlés néven is ismert, ez a szolgáltatás egy külső időzített jelen keresztül valósítható meg az SCR kapuján keresztül. Ez a jel dönti el, hogy az SCR mennyi késés után lőhet, ha az AC fázis megkezdte pozitív félciklusát.

Tehát ez lehetővé teszi az AC hullámnak csak azt a részét kapcsolni, amelyet a kapuindító után adnak át ... ez a fázisvezérlés a szilícium-vezérelt tirisztor fő jellemzői közé tartozik.

A tirisztorok (SCR) fázisszabályozásban való működését meg lehet érteni az alábbi képek megtekintésével.

Az első diagram egy olyan SCR-t mutat, amelynek kapuja állandóan aktiválódik, amint az az első ábrán látható, ez lehetővé teszi, hogy a teljes pozitív hullámforma elinduljon az elejétől a végéig, a központi nulla keresztezési vonal túloldalán.

Tirisztor fázisvezérlés

Minden pozitív félciklus kezdetén az SCR „OFF”. A kapu indukcióján a feszültség aktiválja az SCR-t vezetéssé, és lehetővé teszi, hogy teljes mértékben 'ON' legyen reteszelve a pozitív fél ciklus alatt. Ha a tirisztort a félciklus kezdetekor bekapcsolják (θ = 0o), akkor a csatlakoztatott terhelés (lámpa vagy hasonló) „BE” lesz az AC hullámforma (félhullámú egyenirányított váltakozó áram) teljes pozitív ciklusánál. ) magas, 0,318 x Vp átlagos feszültség mellett.

Mivel a kapukapcsoló BE inicializálása felemelődik a fél ciklus mentén (θ = 0o-tól 90o-ig), a csatlakoztatott lámpa kisebb ideig világít, és a lámpához juttatott nettó feszültség szintén arányosan kevésbé csökkenti az intenzitását.

Ezt követően könnyű a szilícium-vezérlésű egyenirányító kimenete váltakozó áramú fénycsökkentőként és számos különféle váltakozó áramú áramellátási alkalmazásban, például: váltakozó áramú motor fordulatszám-szabályozó, hőszabályozó eszközök és teljesítményszabályozó áramkörök stb.

Eddig azt tapasztaltuk, hogy a tirisztor alapvetően egy félhullámú eszköz, amely képes az áramot csak a ciklus pozitív felében adni, amikor az anód pozitív, és megakadályozza az áramlást, mint a dióda, ha az anód negatív , akkor is, ha a kapuáram aktív marad.

Ennek ellenére még sok más hasonló félvezető termék közül választhat, amelyek közül a „Tirisztor” címet viselik, és amelyek a félciklus mindkét irányában működnek, teljes hullámú egységek, vagy a kapujel által „KI” kapcsolhatók .

Ez a fajta termék magában foglalja a „kapu kikapcsolási tirisztorokat” (GTO), „statikus indukciós tirisztorokat” (SITH), „MOS vezérelt tirisztorokat” (MCT), „szilícium vezérelt kapcsolókat” (SCS), „triódus tirisztorokat” (TRIAC). és a „Fény által indított tirisztorok” (LASCR) segítségével néhányat azonosíthatunk, amelyek közül sok ilyen eszköz sokféle feszültség- és áramerősséggel elérhető, ami érdekesvé teszi őket nagyon nagy teljesítményű célokra történő felhasználáshoz.

Tirisztor működési áttekintése

A szilícium-vezérlésű egyenirányítók, általában tirisztorokként ismertek, három csatlakozású PNPN félvezető eszközök, amelyek két egymással összekapcsolt tranzisztornak tekinthetők, amelyeket a hálózatról működtetett nehéz elektromos terhelések kapcsolásához használhat.

Ezeket úgy jellemzik, hogy reteszelt állapotban vannak - „BE”, a kapu vezetékükre adott egyetlen pozitív impulzus segítségével, és folyamatosan „BE” állapotban lehetnek, amíg az anód-katód áramot a megadott minimális reteszelési érték alá nem csökkentik vagy meg nem fordítják.

Tirisztor statikus tulajdonságai

A tirisztorok félvezető berendezések, amelyek csak a kapcsolási funkcióban működnek. A tirisztorok áramvezérelt termékek, egy apró kapuáram képes szabályozni a lényegesebb anódáramot. Csak akkor engedélyezi az áramot, ha a Kapuhoz alkalmazott előre elfogult és kiváltó áram van.

A tirisztor az egyenirányító diódához hasonlóan működik, amikor bekapcsol. Az anódáramnak többnek kell lennie, mint az áramérték fenntartása a vezetés megőrzése érdekében. Meggátolja az áramlást fordított előfeszítés esetén, függetlenül attól, hogy a kapu áram be van-e kapcsolva.

Amint „ON” be van kapcsolva, reteszelődik „ON”, függetlenül attól, hogy kapuáramot alkalmaznak-e, de csak abban az esetben, ha az anódáram meghaladja a reteszelő áramot.

A tirisztorok gyorskapcsolók, amelyek segítségével számos áramkörben helyettesíthetik az elektromechanikus reléket, mivel egyszerűen nincsenek rezgő részeik, nincsenek érintkezési ívük, vagy problémáik vannak a romlással vagy a szennyeződéssel.

A jelentős áramok „BE” és „KI” kapcsolásán túlmenően a tirisztorok megvalósíthatók egy váltakozó áramú terhelés RMS értékének kezelésére anélkül, hogy jelentős mennyiségű energiát elvezetnének. A tirisztor teljesítményszabályozásának kiváló példája az elektromos világítás, a fűtőberendezések és a motor fordulatszámának szabályozása.

A következő bemutatóban megnézünk néhány alapot Tirisztor áramkörök és alkalmazások váltóáramú és egyenáramú tápegységeket egyaránt használva.