Kaip veikia tiristoriai (SCR) - pamoka

Iš esmės SCR (silicio valdomas lygintuvas), kuris taip pat žinomas tiristoriaus pavadinimu, veikia panašiai kaip tranzistorius.

Kam skirtas SCR

Prietaisas gavo savo pavadinimą (SCR) dėl daugiasluoksnės puslaidininkių vidinės struktūros, kuri savo pavadinimo pradžioje nurodo žodį „silicis“.

Antroji pavadinimo „Valdoma“ dalis reiškia prietaiso vartų terminalą, kuris perjungiamas išoriniu signalu, kad būtų galima valdyti įrenginio aktyvavimą, taigi ir žodis „Valdomas“.

Terminas „Lygintuvas“ reiškia SCR ištaisymo savybę, kai suveikia jo vartai ir leidžiama galiai tekėti per anodą į katodo gnybtus. Tai gali būti panašu į ištaisymą diodu.

Aukščiau pateiktas paaiškinimas aiškiai parodo, kaip įrenginys veikia kaip „silicio valdomas lygintuvas“.

Nors SCR ištaiso kaip diodą ir ima tranzistorių dėl savo suveikimo ypatybės su išoriniu signalu, SCR vidinę konfigūraciją sudaro keturių sluoksnių puslaidininkių išdėstymas (PNPN), sudarytas iš 3 serijos PN sankryžų, skirtingai nuo diodo, kuris turi 2 sluoksnių (PN) arba tranzistorių, kurie apima trijų sluoksnių (PNP / NPN) puslaidininkių konfigūraciją.

Norėdami suprasti paaiškintų puslaidininkių jungčių vidinį išdėstymą ir tiristorių (SCR) veikimą, galite kreiptis į šį vaizdą.

Kita SCR savybė, aiškiai sutampanti su diodu, yra jos vienakryptės charakteristikos, leidžiančios srovei tekėti tik viena kryptimi ir blokuoti iš kitos pusės, kai ji įjungta, sakydamas, kad SCR turi kitą specializuotą pobūdį, leidžiantį juos valdyti kaip atidarytą jungiklį, kai jis yra išjungtas.

Šie du kraštutiniai perjungimo režimai SCR riboja šiuos prietaisus nuo signalų stiprinimo, o jų negalima naudoti kaip tranzistorių pulsuojančiam signalui sustiprinti.

Silicio valdomi lygintuvai arba SCR, kaip ir „Triacs“, „Diacs“ ar „UJT“, kurie visi turi savybę veikti kaip greitai perjungti kietojo kūno kintamosios srovės jungiklius, reguliuodami tam tikrą kintamosios srovės potencialą ar srovę.

Taigi inžinieriams ir mėgėjams šie įrenginiai tampa puikiu kietojo kūno jungiklių pasirinkimu, kai reikia reguliuoti kintamosios srovės perjungimo įtaisus, tokius kaip lempos, varikliai, reguliatoriai, maksimaliai efektyvūs.

SCR yra 3 terminalų puslaidininkinis įtaisas, priskirtas anodui, katodui ir vartams, kurie savo ruožtu yra pagaminti viduje su 3 P-N sankryžomis, turėdami savybę perjungti labai dideliu greičiu.

Taigi prietaisą galima įjungti bet kokiu norimu greičiu ir diskretiškai nustatyti įjungimo / išjungimo laikotarpius tam tikram vidutiniam įjungimui arba išjungimo laikui įjungti.

Techniškai SCR arba tiristoriaus išdėstymą galima suprasti palyginus jį su keliais tranzistoriais (BJT), prijungtais atgal ir atgal tvarka, kad susidarytų kaip papildanti regeneracinė jungiklių pora, kaip parodyta kitame paveikslėlyje :

Tiristoriai Dviejų tranzistorių analogija

Dviejų tranzistorių ekvivalentinė grandinė rodo, kad NPN tranzistoriaus TR2 kolektoriaus srovė tiekiama tiesiai į PNP tranzistoriaus TR1 pagrindą, o TR1 kolektoriaus srovė - į TR2 pagrindą.

Šie du tarpusavyje sujungti tranzistoriai, remdamiesi laidumu, remiasi vienas kitu, nes kiekvienas tranzistorius gauna bazinę-emiterinę srovę iš kito kolektoriaus-spinduolio srovės. Taigi, kol vienam iš tranzistorių nebus suteikta bazinė srovė, nieko negali atsitikti, net jei yra anodo-katodo įtampa.

Modeliuojant SCR topologiją su dviejų tranzistorių integracija, paaiškėja, kad susidarymas yra toks, kad NPN tranzistoriaus kolektoriaus srovė tiekiama tiesiai į PNP tranzistoriaus TR1 pagrindą, o TR1 kolektoriaus srovė jungia maitinimą su TR2 bazė.

Imituojama dviejų tranzistorių konfigūracija, atrodo, tarpusavyje sujungia ir papildo laidumą, priimdama pagrindinę pavarą iš kito kolektoriaus emiterio srovės, todėl vartų įtampa yra labai svarbi ir užtikrina, kad parodyta konfigūracija niekada negalės veikti, kol nebus naudojamas vartų potencialas, net ir esant anodui, katodo potencialas gali būti nuolatinis.

Esant situacijai, kai prietaiso anodo laidas yra labiau neigiamas nei jo katodas, N-P sankryža gali likti į priekį nukreipta, tačiau užtikrinant, kad išoriniai P-N mazgai būtų nukreipti taip, kad jie veiktų kaip standartinis lygintuvo diodas.

Ši SCR savybė leidžia užblokuoti atvirkštinės srovės srautą, kol visuose minėtuose laiduose bus padaryta žymiai didelė įtampa, kuri gali būti didesnė nei jo snapo žemyn, o tai priverčia SCR veikti net ir be vartų pavaros .

Pirmiau nurodytos kritinės tiristorių charakteristikos, dėl kurių prietaisas gali nepageidautinai suveikti per atvirkštinį aukštos įtampos smaigalį ir (arba) aukštą temperatūrą arba greitai vis labiau dvipusę / dt įtampą.

Tarkime, situacijoje, kai anodo terminalas patiria teigiamesnį katodo laidą, tai padeda išorinei P-N sankryžai tapti priekine, nors centrinė N-P jungtis ir toliau išlieka atvirkštinė. Tai užtikrina, kad priekinė srovė taip pat būtų užblokuota.

Todėl tuo atveju, kai teigiamas signalas, sukeltas per NPN tranzistoriaus TR2 pagrindą, lemia kolektoriaus srovės eigą link pagrindo f TR1, kuris bėgio metu priverčia kolektoriaus srovę pereiti link PNP tranzistoriaus TR1, padidindamas TR2 pagrindinę pavarą ir procesas sustiprinamas.

Pirmiau minėta sąlyga leidžia dviem tranzistoriams pagerinti savo laidumą iki prisotinimo taško dėl jų parodytos regeneracinės konfigūracijos grįžtamojo ryšio kilpos, kuri situaciją laiko užrakintą ir užfiksuotą.

Taigi, kai tik įsijungia SCR, tai leidžia srovei tekėti iš savo anodo į katodą tik su minimaliu į priekį nukreiptu pasipriešinimu, užtikrinančiu efektyvų prietaiso laidumą ir veikimą.

Veikiamas kintamosios srovės, SCR gali užblokuoti abu kintamosios srovės modelius, kol bus pasiūlytas SCR su paleidimo įtampa per jo vartus ir katodą, kuris akimirksniu leidžia teigiamam kintamosios srovės pusei ciklui pereiti per anodo katodo laidus, ir prietaisas pradeda imituoti standartinį lygintuvo diodą, tačiau tik tol, kol vartų gaidukas lieka įjungtas, laidumas nutrūksta, kai pašalinamas vartų gaidukas.

Vykdytos įtampos ir srovės arba I-V charakteristikų kreivės, įjungiančios siliciu valdomą lygintuvą, gali būti parodytos šiame paveikslėlyje:

Tiristoriaus I-V charakteristikos kreivės

Tačiau nuolatinės srovės įėjimui, kai tik įjungiamas tiristorius, dėl paaiškinto regeneracinio laidumo jis užfiksuojamas taip, kad anodo ir katodo laidumas laikosi ir palaiko laidą, net jei vartų paleidiklis yra pašalintas.

Taigi nuolatinės srovės vartai vartai visiškai praranda įtaką, kai per prietaiso vartus paspaudžiamas pirmasis paleidimo impulsas, užtikrinantis fiksuotą srovę nuo jo anodo iki katodo. Jis gali būti sulaužytas trumpam pertraukiant anodo / katodo srovės šaltinį, o vartai yra visiškai neaktyvūs.

SCR negali veikti kaip BJT

SCR nėra suprojektuoti taip, kad būtų visiškai analogiški, kaip ir tranzistorių analogai, todėl negali būti priverstas veikti tam tikrame tarpiniame aktyviame regione, kai apkrova gali būti tarp visiško laidumo ir konkuruojančio išjungimo.

Tai taip pat teisinga, nes vartų paleidiklis neturi jokios įtakos tam, kiek anodas iki katodo gali būti laidus ar prisotintas, todėl net mažo momentinio vartų impulso pakanka, kad anodas būtų nukreiptas į katodo laidą į pilną įjungiklį.

Pirmiau pateikta savybė leidžia palyginti SCR ir laikyti jį kaip bistable fiksatorių, turintį dvi stabilias būsenas - visiškai įjungtą arba visiškai išjungtą. Taip yra dėl dviejų specialių SCR charakteristikų, reaguojant į kintamosios arba nuolatinės srovės įėjimus, kaip paaiškinta ankstesniuose skyriuose.

Kaip naudoti SCR vartus, norint valdyti jo perjungimą

Kaip aptarta anksčiau, kai SCR suveikia nuolatinės srovės įėjimu, o jo anodo katodas yra užfiksuotas, jis gali būti atrakintas arba išjungtas, trumpam visiškai pašalinant anodo tiekimo šaltinį (anodo srovę Ia) arba sumažinant tą patį iki kai kurių žymiai žemas lygis žemesnis už nurodytą prietaiso palaikymo srovę arba „minimalią laikymo srovę“ Ih.

Tai reiškia, kad mažiausia anodo ir katodo įtampos srovė turėtų būti sumažinta tol, kol tiristorių vidinė P-N fiksavimo jungtis sugebės atkurti natūralią blokavimo funkciją.

Todėl tai taip pat reiškia, kad norint, kad SCR veiktų ar veiktų su vartų trigeriu, būtina, kad katodo apkrovos srovės anodas viršytų nurodytą „minimalią laikymo srovę“ Ih, kitaip SCR gali nepavykti įgyvendinti apkrovos laidumo, todėl jei IL yra apkrovos srovė, tai turi būti tokia kaip IL> IH.

Tačiau, kaip jau aptarta ankstesniuose skyriuose, kai kintama srovė naudojama SCR anode. Katodo kaiščiai užtikrina, kad SCR neleidžiama atlikti fiksavimo efekto pašalinus vartų pavarą.

Taip yra todėl, kad kintamosios srovės signalas įsijungia ir išjungia savo nulio kirtimo liniją, kuri palaiko SCR anodą iki katodo srovės, kad jis išsijungtų kas 180 laipsnių poslinkio teigiamo kintamosios srovės bangos formos ciklo metu.

Šis reiškinys vadinamas „natūraliu komutavimu“ ir suteikia lemiamą SCR laidumo bruožą. Priešingai nei naudojant DC maitinimo šaltinius, ši funkcija tampa nereikšminga SCR.

Bet kadangi SCR yra suprojektuotas taip, kad elgtųsi kaip lygintuvo diodas, jis efektyviai reaguoja tik į teigiamus kintamosios srovės pusės ciklus ir lieka atvirkštinis ir visiškai nereaguoja į kitą kintamosios srovės ciklą net esant vartų signalui.

Tai reiškia, kad esant vartų trigeriui, SCR per savo anodą katodui vykdo tik atitinkamus teigiamus kintamosios pusės ciklus ir lieka nutildytas kitos pusės ciklus.

Dėl aukščiau paaiškintos fiksavimo funkcijos ir perjungimo per kintamosios srovės bangos formos pusę pusės, SCR gali būti veiksmingai naudojamas pjaustant fazės kintamosios srovės ciklus, kad apkrovą būtų galima perjungti bet kokiu norimu (reguliuojamu) mažesnio galingumo lygiu. .

Ši funkcija, dar vadinama fazių valdymu, gali būti įgyvendinta per išorinį laiko signalą, taikomą per SCR vartus. Šis signalas nusprendžia po kiek laiko SCR gali būti paleistas, kai kintamosios srovės fazė pradės savo teigiamą pusės ciklą.

Taigi tai leidžia perjungti tik tą kintamosios srovės bangos dalį, kuri praeina po vartų paleidimo .. šis fazių valdymas yra vienas iš pagrindinių siliciu valdomo tiristoriaus savybių.

Kaip tiristoriai (SCR) veikia valdant fazes, galima suprasti žiūrint į toliau pateiktus vaizdus.

Pirmoji diagrama rodo SCR, kurio vartai yra įjungiami visam laikui, kaip matyti iš pirmosios diagramos, tai leidžia visai teigiamai bangos formai pradėti nuo pradžios iki pabaigos, ty iš visos centrinės nulio kirtimo linijos.

Tiristoriaus fazių valdymas

Kiekvieno teigiamo pusinio ciklo pradžioje SCR yra „OFF“. Indukuojant vartų įtampą, SCR įsijungia į laidumą ir leidžia jį visiškai užfiksuoti „ON“ per visą teigiamą pusės ciklą. Kai tiristorius įjungiamas pusės ciklo pradžioje (θ = 0o), prijungta apkrova (lempa ar bet kokia panaši) bus „įjungta“ visam teigiamam kintamosios srovės bangos formos (pusiau bangos pataisytos kintamosios srovės) ciklui. ) esant padidintai vidutinei 0,318 x Vp įtampai.

Kai vartų jungiklio įjungimas į priekį pakeliamas per pusę ciklo (θ = 0o - 90o), prijungta lempa apšviečiama trumpesnį laiką, o į lempą nukreipta grynoji įtampa taip pat proporcingai mažiau sumažėja jos intensyvumas.

Vėliau lengva naudoti silicio valdomą lygintuvą kaip kintamosios srovės šviesos reguliatorių ir daugelyje skirtingų papildomų kintamosios srovės maitinimo programų, pavyzdžiui: kintamosios srovės variklio greičio valdymas, šilumos reguliavimo įtaisai ir galios reguliatoriaus grandinės ir pan.

Iki šiol matėme, kad tiristorius iš esmės yra pusės bangos įtaisas, galintis perduoti srovę tik teigiamą ciklo pusę, kai tik anodas yra teigiamas, ir neleidžia srovei tekėti kaip ir diodui tais atvejais, kai anodas yra neigiamas , net jei vartų srovė išlieka aktyvi.

Nepaisant to, galite rasti daug daugiau panašių puslaidininkių gaminių variantų, kurių pavadinimas yra „Tiristorius“, suprojektuotas veikti abiem pusinio ciklo kryptimis, visos bangos vienetais arba gali būti „išjungtas“ vartų signalu. .

Tokio tipo produktus sudaro „vartų išjungimo tiristoriai“ (GTO), „statiniai indukciniai tiristoriai“ (SITH), „MOS valdomi tiristoriai“ (MCT), „silicio valdomi jungikliai“ (SCS), „triodžiai tiristoriai“ (TRIAC). ir „Šviesos paleidžiami tiristoriai“ (LASCR), kad būtų galima išskirti kelis, kai tiek daug šių prietaisų yra prieinami esant skirtingoms įtampos ir srovės kategorijoms, todėl juos įdomu naudoti labai didelės galios tikslams.

Tiristoriaus darbo apžvalga

Silicio valdomi lygintuvai, paprastai žinomi kaip tiristoriai, yra trijų jungčių PNPN puslaidininkiniai įtaisai, kurie gali būti laikomi dviem tarpusavyje sujungtais tranzistoriais, kuriuos galite naudoti perjungiant didelę elektros energiją iš tinklo.

Jie pasižymi fiksuotu „įjungimu“ vienu teigiamo srovės impulsu, nukreiptu į jų vartų laidą, ir gali būti be galo „įjungti“, kol anodo ir katodo srovė bus sumažinta žemiau nurodyto minimalaus fiksavimo matmens arba pakeista.

Tiristoriaus statiniai atributai

Tiristoriai yra puslaidininkinė įranga, sukonfigūruota veikti tik perjungimo funkcijoje. Tiristoriai yra srovės valdomi produktai, maža vartų srovė gali valdyti didesnę anodo srovę. Įjungia srovę tik tada, kai vartams taikoma į priekį nukreipta ir suveikianti srovė.

Tiristorius veikia panašiai kaip lygintuvo diodas, kai tik įsijungia „ON“. Anodo srovė turi būti daugiau nei išlaikyti srovės vertę, kad būtų išsaugotas laidumas. Slopina srovės praėjimą tuo atveju, jei yra atvirkštinė, nepriklausomai nuo to, ar įjungta vartų srovė.

Vos įjungus „ON“, užfiksuojamas „ON“, veikiantis nepriklausomai nuo to, ar naudojama vartų srovė, bet tik tuo atveju, jei anodo srovė viršija fiksavimo srovę.

Tiristoriai yra greiti jungikliai, kuriuos galite naudoti pakeisdami elektromechanines reles daugelyje grandinių, nes jie tiesiog neturi vibruojančių dalių, neturi kontaktinio lanko arba turi problemų dėl gedimo ar nešvarumų.

Be to, kad paprasčiausiai įjungiant pagrindines sroves „įjungta“ ir „išjungta“, tiristoriai gali būti naudojami norint valdyti kintamosios srovės apkrovos srovės RMS vertę, neišsklaidant daug energijos. Puikus tiristoriaus galios valdymo pavyzdys yra elektros apšvietimo, šildytuvų ir variklio greičio valdymas.

Kitoje pamokoje apžvelgsime keletą pagrindinių dalykų Tiristorių grandinės ir programos naudojant tiek kintamosios, tiek nuolatinės srovės šaltinius.