Tyristorit (SCR) toimivat - opetusohjelma

Pohjimmiltaan SCR (Silicon Controlled Rectifier), joka tunnetaan myös nimellä Tyristor, toimii aivan kuin transistori.

Mitä SCR tarkoittaa

Laite saa nimensä (SCR) monikerroksisen puolijohteisen sisäisen rakenteensa vuoksi, joka viittaa 'piin' sanaan nimen alussa.

Nimen 'Ohjattu' toinen osa viittaa laitteen portin päätelaitteeseen, joka kytketään ulkoisella signaalilla laitteen aktivoinnin hallitsemiseksi, ja tästä seuraa sana 'Ohjattu'.

Ja termi 'Tasasuuntaaja' tarkoittaa SCR: n korjausominaisuutta, kun sen portti laukaistaan ​​ja tehon annetaan virrata anodinsa yli katodiliittimiin, tämä voi olla samanlainen kuin tasasuuntaaja tasasuuntaajadiodilla.

Yllä oleva selitys tekee selväksi, miten laite toimii kuten 'piiohjattu tasasuuntaaja'.

Vaikka SCR korjaa diodin tavoin ja jäljittelee transistoria laukaisutoiminnonsa vuoksi ulkoisella signaalilla, SCR: n sisäinen kokoonpano koostuu nelikerroksisesta puolijohdejärjestelystä (PNPN), joka koostuu 3 sarjasta PN-liitoksia, toisin kuin diodi, joka Siinä on kaksikerroksinen (PN) tai transistori, joka sisältää kolmikerroksisen (PNP / NPN) puolijohdekonfiguraation.

Saatat viitata seuraavaan kuvaan ymmärtääksesi selitettyjen puolijohteiden liitosten sisäisen asettelun ja tyristorit (SCR).

Toinen SCR-ominaisuus, joka vastaa selvästi diodia, on sen yksisuuntaiset ominaisuudet, jotka sallivat virran kulkevan vain yhteen suuntaan sen läpi ja estää toiselta puolelta, kun se on kytketty päälle, sanottuaan, että SCR: llä on toinen erityisluonne, joka sallii niiden käytön avoimena kytkimen ollessa kytkettynä pois päältä-tilassa.

Tämä kaksi SCR: n äärimmäistä kytkentätilaa rajoittaa näitä laitteita vahvistamasta signaaleja, eikä niitä voida käyttää kuten transistoreita sykkivän signaalin vahvistamiseen.

Piin ohjatut tasasuuntaajat tai SCR: t, kuten Triacs, Diacs tai UJT, joilla kaikilla on ominaisuus toimia kuten nopeasti kytkeytyvät kiinteän tilan vaihtovirtakytkimet samalla kun säädetään tiettyä AC-potentiaalia tai virtaa.

Joten insinööreille ja harrastajille näistä laitteista tulee erinomainen kiinteän tilan kytkinvaihtoehto, kun on kyse AC-kytkinlaitteiden, kuten lamppujen, moottoreiden, himmenninkytkimien, säätämisestä mahdollisimman tehokkaalla tavalla.

SCR on 3-terminaalinen puolijohdelaite, joka on osoitettu anodiksi, katodiksi ja portiksi, jotka puolestaan ​​on valmistettu sisäisesti kolmella P-N-risteyksellä, joilla on ominaisuus vaihtaa erittäin suurella nopeudella.

Täten laite voidaan kytkeä millä tahansa halutulla nopeudella ja asettaa erikseen PÄÄLLE / POIS-jaksot tietyn keskimääräisen PÄÄLLE- tai POIS-ajan toteuttamiseksi kuormalle.

Teknisesti SCR: n tai tyristorin asettelu voidaan ymmärtää vertaamalla sitä pariin transistoriin (BJT), jotka on kytketty takaisin taaksepäin -järjestykseen, muodostaen kuin täydentävä regeneratiivinen kytkinpari, kuten seuraavassa kuvassa on esitetty. :

Tyristorit, kaksi transistorianalogiaa

Kaksi transistorin vastaavaa piiriä osoittaa, että NPN-transistorin TR2 kollektorivirta syöttää suoraan PNP-transistorin TR1 pohjaan, kun taas TR1: n kollektorivirta syöttää TR2: n kantaan.

Nämä kaksi toisiinsa kytkettyä transistoria luottavat toisiinsa johtamiseen, kun kukin transistori saa emäs-emitterivirransa toisen kollektori-emitterivirrasta. Joten kunnes jollekin transistoreista on annettu jonkin verran perusvirtaa, mitään ei voi tapahtua, vaikka anodi-katodi-jännitettä olisi läsnä.

SCR-topologian simulointi kahdella transistori-integraatiolla paljastaa muodostuksen olevan tavalla, jolla NPN-transistorin kollektorivirta syöttää suoraan PNP-transistorin TR1 alustalle, kun taas TR1: n kollektorivirta yhdistää virtalähteen TR2: n emäs.

Simuloidut kaksi transistorikokoonpanoa näyttävät lukittuvan ja täydentävän toistensa johtumista vastaanottamalla perusaseman toisen kollektorilähetinvirrasta, mikä tekee hilajännitteestä erittäin ratkaisevan tärkeän ja varmistaa, että esitetty kokoonpano ei voi koskaan toimia ennen kuin hilapotentiaalia käytetään, jopa anodin läsnä ollessa katodipotentiaali voi olla pysyvää.

Tilanteessa, jossa laitteen anodijohto on negatiivisempi kuin sen katodi, N-P-liitos voi pysyä eteenpäin esijännitettynä, mutta varmistaa, että ulommat P-N-liitokset ovat esijännitetyt siten, että se toimii kuin tavallinen tasasuuntausdiodi.

Tämän SCR-ominaisuuden avulla se voi estää vastavirran virtauksen, kunnes mainittuihin johtimiin kohdistuu huomattavan suuri jännite, joka voi olla sen nokan alapuolisten teknisten ominaisuuksien ulkopuolella, mikä pakottaa SCR: n toimimaan myös ilman porttikäyttöä .

Edellä viitataan tyristorien kriittisiin ominaisuuksiin, jotka voivat saada laitteen laukaisemaan epätoivotusti käänteisen suurjännitepiikin ja / tai korkean lämpötilan tai nopeasti kasvavan dv / dt-jännitteen transientin kautta.

Oletetaan nyt tilanteessa, jossa anodiliitin kokee positiivisemman katodijohdon suhteen, tämä auttaa ulkoista P-N-liitosta esijännitetyksi, vaikka keskimmäinen N-P-liitos pysyy edelleen päinvastaisena. Näin varmistetaan, että myös myötävirta estetään.

Siksi siinä tapauksessa, että NPN-transistorin TR2 alustan yli indusoitu positiivinen signaali johtaa kollektorivirran kulkemiseen kohti kantaa f TR1, joka pakottaa kollektorivirran kulkemaan kohti PNP-transistoria TR1, mikä lisää TR2: n perusasemaa ja prosessi vahvistuu.

Yllä oleva ehto sallii kahden transistorin parantaa johtavuuttaan kyllästymispisteeseen johtuen näytetystä regeneratiivisen kokoonpanon takaisinkytkentäsilmukasta, joka pitää tilanteen lukittuna ja lukittuna.

Heti kun SCR laukaistaan, se antaa virran kulkea anodistaan ​​katodiin vain pienellä eteenpäin suuntautuvalla vastuksella, joka tulee polulle tulevasta, varmistaen laitteen tehokkaan johtamisen ja toiminnan ..

Kun se altistetaan AC: lle, SCR voi estää molemmat AC: n tyylit, kunnes SCR: ää tarjotaan liipaisevalla jännitteellä portin ja katodin yli, mikä sallii hetkellisesti AC: n positiivisen puolisyklin kulkemaan anodikatodijohtimien läpi, ja laite alkaa jäljitellä tavanomaista tasasuuntausdiodia, mutta vain niin kauan kuin portin liipaisin pysyy kytkettynä päälle, johto katkeaa sillä hetkellä, kun portin liipaisin poistetaan.

Seuraavassa kuvassa voidaan nähdä pakotetut jännite-virta- tai I-V-ominaiskäyrät piiohjatun tasasuuntaajan aktivoimiseksi:

Tyristorin I-V-ominaiskäyrät

DC-tulolle, kuitenkin heti kun tiristori laukaistaan ​​PÄÄLLÄ, selitetyn regeneratiivisen johtumisen vuoksi se lukkiutuu siten, että anodi katodijohtumiseen pitää kiinni ja jatkaa johtamista, vaikka portin liipaisin poistettaisiin.

Täten tasavirralle portti menettää kokonaan vaikutuksensa, kun ensimmäinen laukaisupulssi kohdistetaan laitteen portin poikki, jolloin varmistetaan lukittu virta sen anodista katodiin. Se voidaan rikkoa katkaisemalla hetkellisesti anodi / katodivirtalähde, kun portti on täysin passiivinen.

SCR ei voi toimia kuten BJT

SCR: ää ei ole suunniteltu olevan täysin analoginen kuin transistorin vastineet, eikä sitä siksi voida saada johtamaan jollakin aktiivisen välialueella kuormitukselle, joka voi olla jonnekin täydellisen johtamisen ja kilpailukytkennän välillä.

Tämä pätee myös siksi, että portin liipaisimella ei ole vaikutusta siihen, kuinka paljon katodi anodi voidaan saada johtamaan tai kyllästymään, joten jopa pieni hetkellinen portti-pulssi riittää kääntämään anodin katodin johtamiseen täydelliseksi kytkimeksi ON.

Yllä olevan ominaisuuden avulla SCR: ää voidaan verrata ja pitää bistabiilina salvana, jolla on kaksi vakaa tilaa, joko täydellinen PÄÄLLÄ tai täydellinen POIS. Tämä johtuu SCR: n kahdesta erityisominaisuudesta vasteena AC- tai DC-tuloille, kuten edellä on selitetty.

Kuinka käyttää SCR-porttia sen vaihdon hallintaan

Kuten aiemmin keskusteltiin, kun SCR laukaistaan ​​DC-tulolla ja sen anodikatodi on itselukittunut, tämä voidaan avata tai kytkeä pois päältä joko poistamalla anodinsyöttölähde (anodivirta Ia) hetkellisesti kokonaan tai pienentämällä sitä joillekin merkittävästi matalalla tasolla laitteen määritetyn pitovirran tai 'pienimmän pitovirran' alapuolella Ih.

Tämä tarkoittaa, että anodin ja katodin välistä minimipitovirtaa tulisi vähentää, kunnes tyristorien sisäinen P-N-lukitussidos pystyy palauttamaan luonnollisen esto-ominaisuutensa toimintaan.

Siksi tämä tarkoittaa myös, että SCR: n toimimiseksi tai käyttäytymiseksi portin liipaisimella on välttämätöntä, että anodi katodikuormavirralle ylittää määritetyn 'vähimmäisvirta-virran' Ih, muuten SCR saattaa epäonnistua toteuttamaan kuorman johtumista, joten jos IL on kuormitusvirta, sen on oltava IL> IH.

Kuitenkin, kuten jo edellisissä kohdissa on keskusteltu, kun vaihtovirtaa käytetään SCR-anodin, katodin nastojen kautta, varmistetaan, että SCR: n ei sallita suorittaa lukitusvaikutusta, kun porttiasema poistetaan.

Tämä johtuu siitä, että vaihtosignaali kytkeytyy PÄÄLLE ja POIS nollarajan sisällä, mikä pitää SCR-anodin katodivirrana sammumasta jokaista 180 asteen muutosta AC-aaltomuodon positiivisen puolijakson aikana.

Tätä ilmiötä kutsutaan 'luonnolliseksi kommutoitumiseksi' ja sillä on ratkaiseva ominaisuus SCR-johtumiseen. Päinvastoin kuin DC-tarvikkeilla, tästä ominaisuudesta ei tule merkitystä SCR: n kanssa.

Mutta koska SCR on suunniteltu toimimaan tasasuuntausdiodin tavoin, se reagoi tehokkaasti vain vaihtovirran positiivisiin puolisykleihin ja pysyy päinvastaisena puolueettomana eikä täysin reagoi vaihtovirran toiseen puolisykliin jopa hilasignaalin läsnä ollessa.

Tämä merkitsee sitä, että porttiliipaisimen läsnä ollessa SCR johtaa anodinsa yli katodia vain vastaavien positiivisten AC-puolisyklien ajan ja pysyy mykistettynä muiden puoliskosyklien ajan.

Edellä selitetyn lukitusominaisuuden ja myös AC-aaltomuodon toisen puoliskosyklin aikana tapahtuvan leikkauksen vuoksi SCR: ää voidaan käyttää tehokkaasti vaiheen AC-jaksojen pilkkomiseen siten, että kuormaa voidaan vaihtaa millä tahansa halutulla (säädettävällä) pienemmällä tehotasolla .

Tämä ominaisuus tunnetaan myös vaiheen ohjauksena, ja se voidaan toteuttaa ulkoisen ajastetun signaalin kautta, joka syötetään SCR-portin yli. Tämä signaali päättää, kuinka paljon viivettä SCR voidaan laukaista, kun vaihtovirtavaihe on alkanut positiivisen puolisyklin.

Joten tämä antaa mahdollisuuden vaihtaa vain sitä AC-aallon osaa, joka kulkee portin liipaisun jälkeen ... tämä vaiheen ohjaus on yksi piiohjatun tyristorin pääominaisuuksista.

Tyristoreiden (SCR) toiminta vaiheenohjauksessa voidaan ymmärtää katsomalla alla olevia kuvia.

Ensimmäinen kaavio näyttää SCR: n, jonka portti laukeaa pysyvästi, kuten ensimmäisestä kaaviosta voidaan nähdä, tämä sallii täydellisen positiivisen aaltomuodon aloittamisen alusta loppuun, keskimmäisen nollarajan yli.

Tyristorin vaiheen ohjaus

Jokaisen positiivisen puolijakson alussa SCR on “OFF”. Kun hila indusoituu, jännite aktivoi SCR: n johtavaksi ja sallii sen lukittumisen kokonaan 'ON' -tilaan koko positiivisen puolijakson ajan. Kun tyristori kytketään päälle puolisyklin alkaessa (θ = 0o), kytketty kuorma (lamppu tai mikä tahansa vastaava) olisi ”ON” koko AC-aaltomuodon positiivisen jakson (puoliaallon tasasuuntainen AC) ) korkealla keskijännitteellä 0,318 x Vp.

Kun hilakytkimen PÄÄLLE alustusta nostetaan puolijakson ajan (θ = 0o - 90o), liitetty lamppu syttyy pienemmän aikaa ja lamppuun tuotu nettojännite samoin suhteellisesti vähemmän laski sen intensiteettiä.

Tämän jälkeen on helppo käyttää piiohjattua tasasuuntaajaa vaihtovirtavalon himmentimenä ja monissa erilaisissa vaihtovirran lisäsovelluksissa, esimerkiksi: vaihtovirtamoottorin nopeuden säätö, lämmönsäätölaitteet ja tehonsäätöpiirit ja niin edelleen.

Tähän asti olemme todistaneet, että tyristori on pohjimmiltaan puoliaaltolaite, joka kykenee kulkemaan virtaa vain jakson positiivisella puoliskolla aina, kun anodi on positiivinen, ja estää virran virtauksen aivan kuten diodi tapauksissa, joissa anodi on negatiivinen , vaikka portin virta pysyisi aktiivisena.

Siitä huolimatta saatat löytää monia muita vaihtoehtoja samankaltaisista puolijohdetuotteista, jotka ovat peräisin 'Tyristorin' otsikosta, jotka on suunniteltu toimimaan puolisyklien molempiin suuntiin, täysi-aaltoyksiköt tai jotka voidaan kytkeä 'POIS' porttisignaalilla .

Tämän tyyppisiin tuotteisiin kuuluvat 'Gate Turn-OFF Tyristorit' (GTO), 'Staattiset induktiotyristorit' (SITH), 'MOS-ohjatut tyristorit' (MCT), 'Silicon Controlled Switch' (SCS), 'Triode Tyristors' (TRIAC) ja ”Light Triggered Thyristors” (LASCR) muutamien tunnistamiseksi, ja niin monelle näistä laitteista on saatavana useita eri jännite- ja virtaluokituksia, mikä tekee niistä mielenkiintoisia käyttää tarkoituksiin erittäin suurilla tehotasoilla.

Tyristorin työskentelyn yleiskatsaus

Piikontrolloidut tasasuuntaajat, jotka tunnetaan yleisesti tyristoreina, ovat kolmiyhteisiä PNPN-puolijohdelaitteita, joita voidaan pitää kahtena toisiinsa kytkettynä transistorina, joita voit käyttää verkkovirralla toimivien raskaiden sähkökuormien kytkemiseen.

Niille on tunnusomaista, että ne lukittuvat - 'ON' yhdellä positiivisen virran pulssilla, joka kohdistetaan niiden Gate-johtoon, ja ne voivat pysyä 'ON' -tilassa loputtomasti, kunnes anodista katodiin virta vähenee alle määritetyn vähimmäissalpamittansa tai päinvastaiseksi.

Tyristorin staattiset ominaisuudet

Tyristorit ovat puolijohdelaitteita, jotka on konfiguroitu toimimaan vain kytkentätoiminnossa. Tyristorit ovat virralla ohjattuja tuotteita, pieni Gate-virta pystyy ohjaamaan merkittävämpää anodivirtaa. Ottaa virran käyttöön vain kerran eteenpäin suuntautuvalla esijännitetyllä ja laukaisuvirralla, jota käytetään porttiin.

Tyristori toimii samalla tavoin kuin tasasuuntausdiodi aina, kun se aktivoidaan ”ON” -asennossa. Anodivirran on oltava enemmän kuin ylläpitävä virta-arvo johtamisen säilyttämiseksi. Estää nykyisen läpikulun käänteisessä esijännityksessä riippumatta siitä, asetetaanko Gate-virta päälle vai ei.

Heti kun se on kytketty päälle, lukittuu 'ON' -toiminnoksi riippumatta siitä, käytetäänkö hilavirtaa, mutta vain siinä tapauksessa, että anodivirta on lukitusvirran yläpuolella.

Tyristorit ovat pikakytkimiä, joita voidaan käyttää korvaamaan sähkömekaaniset releet useissa piireissä, koska niissä ei yksinkertaisesti ole värähteleviä osia, kosketusta ei ole tai heillä on ongelmia huononemisen tai lian kanssa.

Mutta lisäksi yksinkertaisesti kytkemällä merkittävät virrat 'ON' ja 'OFF', tyristorit voidaan toteuttaa hallitsemaan vaihtovirta-kuormavirran RMS-arvoa hajauttamatta huomattavaa määrää tehoa. Erinomainen esimerkki tyristorin tehonsäädöstä on sähkövalaistuksen, lämmittimien ja moottorin nopeuden säätö.

Seuraavassa opetusohjelmassa tarkastelemme joitain perusasioita Tyristoripiirit ja sovellukset sekä AC- että DC-virtalähteitä.