Tiristoru (SCR) darbība - apmācība

Būtībā SCR (Silicon Controlled Rectifier), kas pazīstams arī ar nosaukumu Tiristors, darbojas gluži kā tranzistors.

Kas paredzēts SCR

Ierīce iegūst nosaukumu (SCR), pateicoties tās daudzslāņu pusvadītāju iekšējai struktūrai, kas tās nosaukuma sākumā norāda uz vārdu “silīcijs”.

Nosaukuma “Kontrolēts” otrā daļa attiecas uz ierīces vārtu spaili, kas tiek pārslēgta ar ārēju signālu, lai kontrolētu ierīces aktivizēšanu, un līdz ar to vārds “Kontrolēts”.

Termins “Taisngriezis” apzīmē SCR labošanas īpašību, kad tiek aktivizēti tā vārti un jauda tiek atļauta pāri tās anodam uz katoda spailēm. Tas var būt līdzīgs labošanai ar taisngrieža diode.

Iepriekš sniegtais skaidrojums skaidri parāda, kā ierīce darbojas kā “silīcija kontrolēts taisngriezis”.

Lai gan SCR izlīdzina kā diode un imitē tranzistoru, pateicoties tā iedarbināšanas funkcijai ar ārēju signālu, SCR iekšējā konfigurācija sastāv no četrslāņu pusvadītāju izkārtojuma (PNPN), kas sastāv no 3 sērijas PN savienojumiem, atšķirībā no diode, kas ir divslāņu (PN) vai tranzistors, kas ietver trīslāņu (PNP / NPN) pusvadītāju konfigurāciju.

Varat atsaukties uz šo attēlu, lai izprastu izskaidroto pusvadītāju savienojumu iekšējo izkārtojumu un tiristoru (SCR) darbību.

Vēl viens SCR īpašums, kas skaidri atbilst diodei, ir tā vienvirziena raksturlielumi, kas ļauj strāvai plūst tikai vienā virzienā caur to un bloķēt no otras puses, kamēr tā ir ieslēgta, sakot, ka SCR ir vēl viens specializēts raksturs, kas ļauj tos darbināt kā atvērtu slēdzi izslēgtā režīmā.

Šie divi galējie komutācijas režīmi SCR ierobežo šīs ierīces no signālu pastiprināšanas, un tos nevar izmantot kā tranzistorus pulsējoša signāla pastiprināšanai.

Silīcija kontrolētie taisngrieži vai SCR tāpat kā Triacs, Diacs vai UJT, kuriem visiem ir īpašība, piemēram, ātri pārslēgt cietvielu maiņstrāvas slēdžus, vienlaikus regulējot konkrēto maiņstrāvas potenciālu vai strāvu.

Tātad inženieriem un vaļaspriekiem šīs ierīces kļūst par lielisku cietvielu slēdžu iespēju, kad runa ir par maiņstrāvas komutācijas ierīču, piemēram, lampu, motoru, regulēšanas slēdžu, maksimālu efektivitāti.

SCR ir 3 termināļu pusvadītāju ierīce, kas piešķirta kā anods, katods un vārti, kas savukārt ir iekšēji izgatavoti ar 3 P-N krustojumiem, kam ir īpašība pārslēgties ļoti lielā ātrumā.

Tādējādi ierīci var ieslēgt jebkurā vēlamajā ātrumā un diskrēti iestatīt IESLĒGŠANAS / IZSLĒGŠANAS periodus, lai ieviestu noteiktu vidējo ieslēgšanas vai izslēgšanas laiku slodzei.

Tehniski SCR vai tiristora izkārtojumu var saprast, salīdzinot to ar pāris tranzistoriem (BJT), kas savienoti aizmugurē un aizmugurē, lai izveidotos kā papildinošs reģeneratīvs slēdžu pāris, kā parādīts nākamajā attēlā. :

Tiristori Divu tranzistoru analoģija

Divas tranzistora ekvivalenta ķēde parāda, ka NPN tranzistora TR2 kolektora strāva tieši nonāk PNP tranzistora TR1 pamatnē, bet TR1 kolektora strāva - TR2 pamatnē.

Šie divi savstarpēji savienotie tranzistori ir savstarpēji vadāmi, lai vadītu, jo katrs tranzistors saņem bāzes emitētāja strāvu no otra kolektora-izstarotāja strāvas. Tātad, kamēr vienam no tranzistoriem nav dota pamatstrāva, nekas nevar notikt pat tad, ja ir spriegums no anoda līdz katodam.

Modelējot SCR topoloģiju ar divu tranzistoru integrāciju, tiek parādīts, ka veidojums ir tāds, ka NPN tranzistora kolektora strāva tiek piegādāta tieši uz PNP tranzistora TR1 pamatni, savukārt TR1 kolektora strāva savieno padevi ar TR2 pamatne.

Simulētā divu tranzistoru konfigurācija, šķiet, savstarpēji saslēdzas un papildina vadīšanu, saņemot bāzes piedziņu no otra kolektora izstarotāja strāvas, tas padara vārtu spriegumu ļoti izšķirošu un nodrošina, ka parādītā konfigurācija nekad nevar darboties, kamēr nav izmantots vārtu potenciāls pat anoda klātbūtnē katoda potenciāls var būt noturīgs.

Situācijā, kad ierīces anoda vads ir negatīvāks par tā katodu, ļauj N-P krustojumam palikt uz priekšu neobjektīvam, bet nodrošinot, ka ārējie P-N krustojumi ir pretēji novirzīti tā, lai tas darbotos kā standarta taisngrieža diode.

Šī SCR īpašība ļauj bloķēt pretējās strāvas plūsmu, līdz visos minētajos vados tiek radīts ievērojami augsts sprieguma lielums, kas var būt ārpus tā knābja uz leju, kas liek SCR darboties pat tad, ja nav vārtu piedziņas .

Iepriekš minētie attiecas uz tiristoru kritiskajām īpašībām, kas var izraisīt ierīces nevēlamu iedarbināšanu, izmantojot reverso augstsprieguma tapu un / vai augstu temperatūru, vai strauji pieaugošu dv / dt sprieguma pāreju.

Tagad pieņemsim, ka situācijā, kad anoda terminālis ir pozitīvāks attiecībā uz katoda svinu, tas palīdz ārējam P-N krustojumam kļūt novirzītam uz priekšu, kaut arī centrālais N-P krustojums joprojām paliek pretējs. Tādējādi tas nodrošina, ka tiek bloķēta arī priekšējā strāva.

Tāpēc gadījumā, ja pozitīvs signāls, kas tiek inducēts pāri NPN tranzistora TR2 pamatnei, noved pie kolektora strāvas pārejas uz f f1 TR1, kas spolē liek kolektora strāvai pāriet uz PNP tranzistora TR1 pusi, palielinot TR2 bāzes piedziņu un process tiek pastiprināts.

Iepriekš minētais nosacījums ļauj diviem tranzistoriem uzlabot savu vadītspēju līdz piesātinājuma punktam, pateicoties to parādītajai reģeneratīvās konfigurācijas atgriezeniskās saites cilpai, kas situāciju bloķē un fiksē.

Tiklīdz tiek iedarbināts SCR, tas ļauj strāvai plūst no anoda uz katodu tikai ar minimālu pretestību uz priekšu, kas tuvojas ceļam, nodrošinot ierīces efektīvu vadīšanu un darbību.

Pakļaujot maiņstrāvai, SCR var bloķēt abus maiņstrāvas veidus, līdz SCR tiek piedāvāts ar iedarbināšanas spriegumu pāri vārtiem un katodam, kas uzreiz ļauj maiņstrāvas pozitīvajam pusciklam pāriet anoda katoda vados, un ierīce sāk atdarināt standarta taisngrieža diode, bet tikai tik ilgi, kamēr vārtu sprūda paliek ieslēgta, vadītspēja tiek pārtraukta brīdī, kad vārtu sprūda tiek noņemta.

Spiediena-strāvas vai I-V raksturlielumu līknes silīcija kontrolēta taisngrieža aktivizēšanai var redzēt šajā attēlā:

Tiristora I-V raksturlīknes

Tomēr līdzstrāvas ieejai, tiklīdz tiristors tiek iedarbināts, izskaidrotās reģeneratīvās vadīšanas dēļ tas veic fiksācijas darbību tā, ka katoda vadīšanas anods turas un turpina darboties pat tad, ja vārtu sprūda tiek noņemta.

Tādējādi līdzstrāvas gadījumā vārti pilnībā zaudē savu ietekmi, tiklīdz ierīces vārtiem tiek piemērots pirmais iedarbināšanas impulss, nodrošinot fiksētu strāvu no tā anoda līdz katodam. To var salauzt, īslaicīgi pārtraucot anoda / katoda strāvas avotu, kamēr vārti ir pilnīgi neaktīvi.

SCR nevar strādāt kā BJT

SCR nav veidoti tā, lai būtu pilnīgi analogi kā tranzistora kolēģi, un tāpēc to nevar likt vadīt kādā starpposma aktīvajā reģionā slodzei, kas var atrasties kaut kur starp pilnīgu vadīšanu un konkurences izslēgšanu.

Tas ir arī taisnība, jo vārtu palaidējs neietekmē to, cik daudz anoda līdz katodam var likt vadīt vai piesātināt, tāpēc pat neliels īslaicīgs vārtu impulss ir pietiekams, lai anodu pārvērstu katoda vadībā pilnā ieslēgumā.

Iepriekš minētā funkcija ļauj salīdzināt SCR un uzskatīt to par bistable fiksatoru, kuram ir divi stabili stāvokļi, vai nu pilnīgi ON, vai pilnīgi OFF. To izraisa divi īpašie SCR raksturlielumi, reaģējot uz maiņstrāvas vai līdzstrāvas ieejām, kā paskaidrots iepriekšējās sadaļās.

Kā izmantot SCR vārtu, lai kontrolētu tā pārslēgšanos

Kā jau tika apspriests iepriekš, kad SCR tiek iedarbināts ar līdzstrāvas ieeju un tā anoda katods ir pašfiksēts, to var atbloķēt vai izslēgt, īslaicīgi pilnībā atdalot anoda padeves avotu (anoda strāvu Ia) vai samazinot to līdz dažiem ievērojami zems līmenis zem ierīces norādītās noturēšanas strāvas vai “minimālās noturēšanas strāvas” Ih.

Tas nozīmē, ka minimālā strāva no anoda līdz katodam jāsamazina, līdz tiristoru iekšējā P-N fiksējošā saite spēj atjaunot dabisko bloķēšanas funkciju.

Tāpēc tas nozīmē arī to, ka, lai SCR darbotos vai darbotos ar vārtu palaišanas mehānismu, ir svarīgi, lai katoda slodzes strāvas anods būtu lielāks par norādīto “minimālo noturēšanas strāvu” Ih, pretējā gadījumā SCR varētu neizpildīt slodzes vadību, tāpēc ja IL ir slodzes strāva, tam jābūt tādam kā IL> IH.

Tomēr, kā jau tika apspriests iepriekšējās sadaļās, kad maiņstrāvu izmanto visā SCR anodā. Katoda tapas nodrošina, ka SCR nav atļauts izpildīt fiksācijas efektu, kad tiek noņemts vārtu disks.

Tas ir tāpēc, ka maiņstrāvas signāls ieslēdzas un izslēdzas nulles šķērsošanas līnijā, kas uztur SCR anodu līdz katoda strāvai, lai izslēgtos ik pēc 180 grādu maiņstrāvas viļņa pozitīvā puscikla.

Šī parādība tiek saukta par “dabisku komutāciju”, un tai ir būtiska iezīme SCR vadīšanai. Pretstatā tam ar DC piegādēm šī funkcija ar SCR kļūst nebūtiska.

Bet, tā kā SCR ir paredzēts uzvesties kā taisngrieža diode, tas efektīvi reaģē tikai uz maiņstrāvas pozitīvajiem pusperiodiem un paliek pretējs un pilnībā nereaģē uz maiņstrāvas otru pusi ciklu pat vārtu signāla klātbūtnē.

Tas nozīmē, ka vārtu sprūda klātbūtnē SCR pāri anodam katodam veic tikai attiecīgos pozitīvos maiņstrāvas pusciklus un pārējos pusciklus paliek izslēgts.

Pateicoties iepriekš izskaidrotajai fiksēšanas funkcijai un arī maiņstrāvas viļņu formas otrajai pusei, SCR var efektīvi izmantot sasmalcināšanas fāzes maiņstrāvas ciklos, lai slodzi varētu pārslēgt pie jebkura vēlamā (regulējamā) zemākā jaudas līmeņa .

Pazīstams arī kā fāzes vadība, šo funkciju var ieviest, izmantojot ārēju laika signālu, kas tiek izmantots pāri SCR vārtiem. Šis signāls izlemj pēc cik ilga aizkavēšanās SCR var izšaut, kad maiņstrāvas fāze ir sākusi pozitīvo pusciklu.

Tātad tas ļauj pārslēgt tikai to maiņstrāvas viļņa daļu, kas tiek nodota pēc vārtu palaišanas .. šī fāzes vadība ir viena no silīcija kontrolētā tiristora galvenajām iezīmēm.

Tiristoru (SCR) darbību fāzes kontrolē var saprast, aplūkojot zemāk redzamos attēlus.

Pirmajā diagrammā parādīts SCR, kura vārti tiek pastāvīgi iedarbināti, kā redzams pirmajā diagrammā, tas ļauj pilnīgai pozitīvai viļņu formai sākt darbību no sākuma līdz beigām, no visas centrālās nulles šķērsošanas līnijas.

Tiristora fāzes kontrole

Katra pozitīvā puscikla sākumā SCR ir “OFF”. Indukcijas laikā vārtu spriegums aktivizē SCR vadībā un ļauj to pilnībā nospiest “ON” visā pozitīvajā pusperiodā. Kad tiristors tiek ieslēgts pusperioda sākumā (θ = 0o), pieslēgtā slodze (lampa vai jebkura cita līdzīga) būtu “IESLĒGTA” visam maiņstrāvas viļņu formas pozitīvajam ciklam (pusviļņa iztaisnotā maiņstrāva) ) pie paaugstināta vidējā sprieguma 0,318 x Vp.

Tā kā vārtu slēdža ON inicializācija tiek pacelta pa pusciklu (θ = 0o līdz 90o), pievienotā lampa tiek iedegta uz mazāku laiku, un neto spriegums, kas tiek novirzīts uz lukturi, proporcionāli mazāk pazemina tā intensitāti.

Pēc tam ir viegli izmantot silīcija kontrolētu taisngriezi kā maiņstrāvas gaismas regulatoru un daudzos dažādos papildu maiņstrāvas enerģijas pielietojumos, piemēram: maiņstrāvas motora ātruma regulēšana, siltuma kontroles ierīces un jaudas regulatora ķēdes utt.

Līdz šim mēs esam redzējuši, ka tiristors būtībā ir pusviļņa ierīce, kas spēj izvadīt strāvu tikai cikla pozitīvajā pusē, kad vien anods ir pozitīvs, un novērš strāvas plūsmu tāpat kā diode gadījumos, kad anods ir negatīvs , pat ja vārtu strāva paliek aktīva.

Tomēr jūs varat atrast daudz vairāk līdzīgu pusvadītāju izstrādājumu variantu, kuru izcelsme ir zem nosaukuma “Tiristors”, kas paredzēts darbam abos pusciklu virzienos, pilna viļņa vienībās, vai arī tos var izslēgt ar vārtu signālu. .

Šāda veida izstrādājumos ietilpst “vārtu izslēgšanas tiristori” (GTO), “statiskie indukcijas tiristori” (SITH), “MOS kontrolētie tiristori” (MCT), “silīcija vadītie slēdži” (SCS), “triodu tiristori” (TRIAC). un “Gaismas iedarbināmie tiristori” (LASCR), lai identificētu dažus, un tik daudzām šīm ierīcēm ir pieejami dažādi sprieguma un strāvas rādītāji, kas padara tos interesantus lietošanai mērķiem ar ļoti lielu jaudas līmeni.

Tiristora darba pārskats

Silīcija kontrolētie taisngrieži, kas parasti pazīstami kā tiristori, ir trīs savienojumu PNPN pusvadītāju ierīces, kuras varētu uzskatīt par diviem savstarpēji savienotiem tranzistoriem, kurus varat izmantot, pārslēdzot no tīkla darbināmas lielas elektriskas slodzes.

Tos raksturo fiksators - “IESLĒGTS” ar vienu pozitīvas strāvas impulsu, kas tiek iedarbināts uz to vārtu vadu, un tie var būt bezgalīgi ieslēgti, kamēr strāva no anoda līdz katodam tiek samazināta zem noteiktā minimālā fiksācijas līmeņa vai mainīta.

Tiristora statiskie atribūti

Tiristori ir pusvadītāju iekārtas, kas konfigurētas darbībai tikai komutācijas funkcijā. Tiristori ir strāvas kontrolēti produkti, niecīga vārtu strāva spēj kontrolēt būtiskāku anoda strāvu. Iespējo strāvu tikai pēc tam, kad vārtiem tiek piemērota neobjektīva un aktivizējoša strāva.

Tiristors darbojas līdzīgi taisngrieža diodei ikreiz, kad tas tiek aktivizēts “ON”. Lai saglabātu vadītspēju, anoda strāvai jābūt vairāk nekā strāvas vērtībai. Kavē pašreizējo caurbraukšanu, ja ir pretēja neobjektivitāte, neatkarīgi no tā, vai tiek uzlikta vārtu strāva.

Tiklīdz tas ir ieslēgts “ON”, tiek fiksēts “ON”, kas darbojas neatkarīgi no tā, vai tiek lietota vārtu strāva, bet tikai gadījumā, ja anoda strāva ir virs fiksācijas strāvas.

Tiristori ir ātri slēdži, kurus varat izmantot, lai aizstātu elektromehāniskos relejus vairākās ķēdēs, jo tiem vienkārši nav vibrējošu daļu, nav kontaktu loka vai ir problēmas ar nolietojumu vai netīrumiem.

Tomēr papildus vienkāršu būtisku strāvu ieslēgšanai “ON” un “OFF”, tiristorus var veikt, lai pārvaldītu maiņstrāvas slodzes strāvas RMS vērtību, neizkliedējot ievērojamu enerģijas daudzumu. Lielisks tiristora jaudas vadības piemērs ir elektriskā apgaismojuma, sildītāju un motora ātruma vadība.

Nākamajā apmācībā mēs apskatīsim dažus pamatus Tiristoru shēmas un pielietojums izmantojot gan maiņstrāvas, gan līdzstrāvas padeves.