Hur Thyristors (SCR) fungerar - Handledning

I grund och botten fungerar en SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​som också är känd under namnet Thyristor som en transistor.

Vad SCR står för

Enheten får sitt namn (SCR) på grund av dess interna struktur med flera lager halvledare som hänvisar till ordet 'kisel' i början av dess namn.

Den andra delen av namnet 'kontrollerad' hänvisar till enhetens grindterminal, som kopplas om med en extern signal för att styra enhetens aktivering, och därav ordet 'kontrollerad'.

Och termen 'Rectifier' betyder SCR: s korrigeringsegenskap när dess grind utlöses och kraft tillåts strömma över sin anod till katodterminaler, detta kan likna likriktningen med en likriktardiod.

Ovanstående förklaring gör det klart hur enheten fungerar som en 'Silicon Controlled Rectifier'.

Även om en SCR korrigerar som en diod och imiterar en transistor på grund av dess utlösande funktion med en extern signal, består en SCR intern konfiguration av ett fyrlagers halvledararrangemang (PNPN) som består av 3 seriens PN-korsningar, till skillnad från en diod som har en 2-skikts (PN) eller en transistor som inkluderar en treskikts (PNP / NPN) halvledarkonfiguration.

Du kan hänvisa till följande bild för att förstå den interna layouten för de förklarade halvledarkorsningarna och hur Thyristors (SCR) fungerar.

En annan SCR-egenskap som tydligt matchar med en diod är dess enkelriktade egenskaper som gör att strömmen endast kan strömma i en riktning genom den, och blockera från den andra sidan medan den är påslagen, med detta sagt att SCR har en annan specialiserad natur som gör att de kan användas som en öppen brytare i avstängt läge.

Dessa två extrema omkopplingslägen i SCR begränsar dessa enheter från att förstärka signaler och dessa kan inte användas som transistorer för att förstärka en pulserande signal.

De kiselstyrda likriktarna eller SCR: erna, precis som Triacs, Diacs eller UJT's, som alla har egenskapen att fungera som snabbt växlande solid state AC-omkopplare samtidigt som en given AC-potential eller ström regleras.

Så för ingenjörer och hobbyister blir dessa enheter ett utmärkt alternativ för halvledaromkopplare när det gäller reglering av växelströmbrytare såsom lampor, motorer, dimmerbrytare med maximal effektivitet.

En SCR är en 3-terminal halvledaranordning som tilldelas som anod, katod och grinden, som i sin tur är internt tillverkade med 3 P-N-korsningar, som har egenskapen att växla med mycket hög hastighet.

Således kan anordningen bytas vid vilken önskad hastighet som helst och diskret ställa in PÅ / AV-perioder, för att implementera en viss genomsnittlig brytare eller stänga av tid till en belastning.

Tekniskt kan layouten för en SCR eller en tyristor förstås genom att jämföra den med ett par transistorer (BJT) anslutna i back-to-back-ordningen, för att bilda som ett kompletterande regenerativt par omkopplare, som visas i följande bild :

Thyristors Two Transistor Analogy

De två transistorekvivalenta kretsarna visar att kollektorströmmen för NPN-transistorn TR2 matas direkt in i basen på PNP-transistorn TR1, medan kollektorströmmen för TR1 matas in i basen på TR2.

Dessa två sammankopplade transistorer är beroende av varandra för ledning då varje transistor får sin bas-emitterström från den andras kollektor-emitterström. Så tills en av transistorerna får en viss basström kan ingenting hända även om det finns en anod-till-katodspänning.

Simulering av SCR-topologin med en två-transistorintegration avslöjar att formationen är på ett sådant sätt att kollektorströmmen hos NPN-transistorn matas direkt till basen av PNP-transistorn TR1, medan kollektorströmmen hos TR1 förbinder matningen med bas för TR2.

Den simulerade två-transistorkonfigurationen verkar låsa och komplettera varandras ledning genom att ta emot basenheten från kollektors emitterström hos den andra, detta gör grindspänningen mycket avgörande och säkerställer att den visade konfigurationen aldrig kan leda förrän en grindpotential tillämpas, även i närvaro av anod till katodpotential kan vara bestående.

I en situation där enhetens anodledning är mer negativ än dess katod, tillåter N-P-korsningen att förbli förspänd, men säkerställer att de yttre P-N-korsningarna är förspända så att den fungerar som en standardlikriktardiod.

Denna egenskap hos en SCR gör det möjligt att blockera ett omvänd strömflöde tills en avsevärt hög spänningsstorlek som kan vara bortom dess speciella specifikationer tillförs över de nämnda ledningarna, vilket tvingar SCR att leda även i frånvaro av en grindrivning .

Ovanstående hänvisar till kritiska egenskaper hos tyristorer som kan orsaka att anordningen utlöses oönskat genom en omvänd högspänningspik och / eller en hög temperatur, eller en snabbt och alltmer dv / dt spänningstransient.

Antag nu att i en situation där anodterminalen upplever mer positiv med avseende på dess katodledning, hjälper detta den yttre P-N-korsningen att bli förspänd, även om den centrala NP-korsningen fortsätter att förbli omvänd förspänd. Detta säkerställer följaktligen att framströmmen också blockeras.

Om en positiv signal inducerad över basen av NPN-transistorn TR2 resulterar därför i att kollektorströmmen passerar mot basen f TRl, som i trumman tvingar kollektorströmmen att passera mot PNP-transistorn TR1, vilket ökar basdrivningen hos TR2 och processen förstärks.

Ovanstående tillstånd gör det möjligt för de två transistorerna att förbättra sin ledning till mättnadspunkten på grund av deras visade regenerativa konfigurationsåterkopplingsslinga som håller situationen sammankopplad och låst.

Så snart SCR utlöses tillåter den en ström att strömma från sin anod till katod med endast ett minimalt framåtriktat motstånd som kommer runt i banan, vilket säkerställer en effektiv ledning och drift av enheten.

När den utsätts för en växelström kan SCR blockera båda AC-cyklerna tills SCR erbjuds med en utlösande spänning över sin grind och katod, vilket omedelbart låter den positiva halva cykeln för växelströmmen passera över anodkatodledningarna, och enheten börjar imitera en standardlikriktardiod, men bara så länge grindutlösaren förblir påslagen bryter ledningen i det ögonblick som grindutlösaren tas bort.

De påtvingade spännings- eller I-V-karakteristikkurvorna för aktivering av en kiselstyrd likriktare kan bevittnas i följande bild:

Thyristor I-V Karakteristikkurvor

Men för en likströmsingång, så snart tyristorn utlöses PÅ, på grund av den förklarade regenerativa ledningen genomgår den en spärråtgärd så att anoden till katodledningen håller kvar och fortsätter att leda även om grindutlösaren tas bort.

Således för en likström förlorar grinden fullständigt sitt inflytande när den första utlösande pulsen appliceras över enhetens grind och säkerställer en spärrad ström från dess anod till katod. Det kan brytas genom att tillfälligt bryta anod / katodströmkällan medan grinden är helt inaktiv.

SCR kan inte fungera som BJT

SCR är inte utformade för att vara perfekt analoga som transistor motsvarigheter, och kan därför inte göras att leda vid någon mellanliggande aktiv region för en belastning som kan vara någonstans mellan fullständig ledning och konkurrensbrytare OFF.

Detta är också sant eftersom grindutlösaren inte har något inflytande på hur mycket anoden till katoden kan göras för att leda eller mätta, så till och med en liten kortvarig grindpuls räcker för att svänga anoden till katodledningen till en fullständig brytare PÅ.

Ovanstående funktion gör att en SCR kan jämföras och betraktas som en Bistable Latch som har de två stabila tillstånden, antingen en fullständig PÅ eller en fullständig AV. Detta orsakas på grund av de två speciella egenskaperna hos SCR som svar på en växelströms- eller likströmsingång som förklaras i ovanstående avsnitt.

Hur man använder en SCR-port för att styra dess omkoppling

Som diskuterats tidigare, när en SCR utlöses med en likströmsingång och dess anodkatod är självlåst, kan denna låsas upp eller stängas AV antingen genom att tillfälligt ta bort anodmatningskällan (anodström Ia) helt eller genom att reducera densamma till en del betydligt låg nivå under den angivna hållströmmen för enheten eller 'minsta hållström' Ih.

Detta innebär att min anod till katod minsta hållström ska reduceras tills tyristors interna P-N-spärrbindning kan återställa sin naturliga blockeringsfunktion till handling.

Därför betyder detta också att för att få en SCR att fungera eller uppträda med en grindutlösare är det absolut nödvändigt att anod till katodbelastningsström är över den angivna 'minsta hållströmmen' Ih, annars kan SCR misslyckas med att genomföra belastningsledningen, därför om IL är lastströmmen måste detta vara som IL> IH.

Men som redan diskuterats i de föregående avsnitten, när en växelström används över SCR-anoden. Katodstiften, säkerställer att SCR inte får utföra spärreffekten när grinddrivningen tas bort.

Detta beror på att växelströmssignalen slås PÅ och AV inom sin nollkorsningslinje som håller SCR-anoden till katodström för att stängas av vid varje 180 graders förskjutning av den positiva halvcykeln för växelströmsvågformen.

Detta fenomen kallas 'naturlig pendling' och inför en viktig funktion för en SCR-ledning. I motsats till detta med DC-leveranser blir denna funktion oväsentlig med SCR.

Men eftersom en SCR är utformad för att uppträda som en likriktardiod reagerar den effektivt endast på de positiva halva cyklerna hos en växelström och förblir omvänd förspänd och svarar inte helt på den andra halvan av växelströmmen även i närvaro av en grindsignal.

Detta innebär att i närvaro av en grindutlösare leder SCR över sin anod till katod endast under respektive positiva växelströmshalvcykler och förblir avstängd under de andra halva cyklerna.

På grund av den ovan förklarade spärrfunktionen och även avstängningen under den andra halva cykeln för en växelströmsvågform, kan SCR effektivt användas för kapning av växelströmscykler så att belastningen kan växlas vid vilken önskad (justerbar) lägre effektnivå som helst. .

Även känd som fasstyrning, kan denna funktion implementeras genom en extern tidsinställd signal som appliceras över SCR-grinden. Denna signal bestämmer efter hur mycket fördröjning SCR kan avfyras när AC-fasen har börjat sin positiva halvcykel.

Så detta tillåter bara att den del av växelströmsvågen kan växlas som passeras efter grindutlösaren ... denna fasreglering är bland huvudfunktionerna i en kiselstyrd tyristor.

Hur tyristorer (SCR) fungerar i fasstyrning kan förstås genom att titta på bilderna nedan.

Det första diagrammet visar en SCR vars grind utlöses permanent, vilket kan ses i det första diagrammet, vilket gör att den fullständiga positiva vågformen kan initieras från början till slut, den över den centrala nollövergångslinjen.

Tyristor faskontroll

I början av varje positiv halvcykel är SCR ”OFF”. Vid induktion av grindspänningen aktiverar SCR i ledning och gör det möjligt att låsa den helt 'PÅ' under den positiva halvcykeln. När tyristorn slås på i början av halvcykeln (θ = 0o) skulle den anslutna belastningen (en lampa eller liknande) vara 'ON' för hela den positiva cykeln för växelströmsvågformen (halvvåglikriktad växelström ) vid en förhöjd genomsnittlig spänning på 0,318 x Vp.

När initialiseringen av grindomkopplaren PÅ höjs längs halvcykeln (θ = 0o till 90o) tänds den anslutna lampan under en mindre tid och netspänningen som förs till lampan på samma sätt minskar dess intensitet.

Därefter är det enkelt att utnyttja en kiselstyrd likriktare som en AC-ljusdimmer och i många andra extra växelströmsapplikationer till exempel: AC-motorvarvtalsreglering, värmekontrollanordningar och effektregulatorkretsar, och så vidare.

Hittills har vi bevittnat att en tyristor i grunden är en halvvågsenhet som kan passera ström endast i den positiva halvan av cykeln när anoden är positiv och förhindrar strömflödet precis som en diod i fall där anoden är negativ. , även om grindströmmen förblir aktiv.

Icke desto mindre kan du hitta många fler varianter av liknande halvledarprodukter att välja mellan som har sitt ursprung under titeln 'Thyristor' som är utformad för att fungera i båda riktningarna av halvcyklerna, fullvågsenheterna, eller som kan stängas av 'av' -signalen .

Denna typ av produkter innehåller 'Gate Turn-OFF Thyristors' (GTO), 'Statisk induktionstyristorer' (SITH), 'MOS-kontrollerade tyristorer' (MCT), 'Silicon Controlled Switch' (SCS), 'Triode Thyristors' (TRIAC) och ”Light Triggered Thyristors” (LASCR) för att identifiera ett fåtal, med så många av dessa enheter tillgängliga i många olika spännings- och strömvärden, vilket gör dem intressanta att användas i syften vid mycket höga effektnivåer.

Thyristor arbetsöversikt

Kiselstyrda likriktare, allmänt kända som tyristorer, är PNPN-halvledaranordningar med tre anslutningar som kan betraktas som två sammankopplade transistorer som du kan använda för att koppla om nätdrivna tunga elektriska laster.

De kännetecknas av att spärras - 'PÅ' av en enda puls av positiv ström som appliceras på deras Gate-ledning och kan fortsätta att vara 'PÅ' oändligt tills anoden till katodströmmen minskar under deras specificerade minsta spärrmått eller omvänd.

Statiska attribut för en tyristor

Tyristorer är halvledarutrustning konfigurerad att endast fungera i omkopplingsfunktionen. Thyristor är nuvarande kontrollerade produkter, en liten portström kan styra en mer betydande anodström. Aktiverar ström endast en gång förspänd och utlösande ström tillämpad på grinden.

Tyristorn fungerar som en likriktardiod när den råkar aktiveras 'PÅ'. Anodströmmen måste vara mer än att upprätthålla strömvärdet för att bevara ledningen. Hämmar strömpassagen i fallet omvänd förspänd, oavsett om portström är påslagen eller inte.

Så snart den slås på “PÅ”, låses den “PÅ”, oavsett om en grindström appliceras men bara om anodströmmen är över spärrströmmen.

Tyristorer är snabbströmställare som du kan använda för att ersätta elektromekaniska reläer i ett antal kretsar, eftersom de helt enkelt inte har några vibrerande delar, ingen kontaktbåg eller har problem med försämring eller smuts.

Men förutom att helt enkelt koppla väsentliga strömmar 'PÅ' och 'AV' kan tyristorer åstadkommas för att hantera RMS-värdet för en växelström utan att släppa ut en avsevärd mängd effekt. Ett utmärkt exempel på tyristorkraftreglering är styrning av elektrisk belysning, värmare och motorhastighet.

I nästa handledning kommer vi att titta på några grundläggande Tyristorkretsar och applikationer använder både växelström och likström.