на 2024/06/7 1,149

Разбиране на контролирания от силиций токоизправител (SCR)

Силиконовият контролиран изправител (SCR) е ключова част от електрониката на мощността, развиваща се от по-простия диод на Шокли.Диодът Shockley действаше като основен превключвател, но не можеше да се контролира външно.Добавянето на терминал на портата за създаване на SCR позволи прецизен контрол върху неговата проводимост, превръщайки го в активен компонент за управление на мощността в различни вериги.Тази статия обхваща структурата и работата на SCR, включително неговата вътрешна конфигурация и механизъм за положителна обратна връзка за ефективно превключване.Той обяснява различни методи за задействане и необходимостта от контролирано активиране за надеждна ефективност.Статията също така обсъжда тестването на функционалността на SCR, използва в контрола на мощността на променлив ток, усъвършенстваните техники за задействане, видовете SCRs и новите тенденции в SCR технологията.Целта е да се даде ясно разбиране на SCR, как работят и тяхната роля в съвременната електроника.

Каталог

Shockley DioDe to scr

Фигура 1: Диод на Шокли

Диодът Shockley, ранна версия на PNPN устройството, работи като основен превключвател, който се включва, когато достигне определено напрежение.Той обаче има ограничена употреба, тъй като му липсва контрол върху превключването му.Въвеждането на SCR се подобрява на диода на Шокли чрез добавяне на терминал на портата.Това допълнение позволява външен контрол на състоянието на проводимост на устройството, променяйки го от прост превключвател към активен компонент, който може да се справи с по -високи нива на мощност с по -голяма точност.Тази промяна значително увеличава полезността на устройството, което го прави подходящ за много повече електронни схеми.

Конструкцията на силициева контролирана токоизправител

Фигура 2: Силиконов контролиран превключвател

Еволюцията от диод на Шокли към SCR включва добавяне на терминал на портата към съществуващата PNPN структура.Този терминал на портата позволява SCR да се контролира от външен сигнал, осигурявайки начин да включите и изключите устройството, ако е необходимо.Тази промяна прави SCR активен компонент, който значително разширява използването му в различни електронни схеми.Възможността за контрол на превключващото действие с външен сигнал създава нови възможности за прецизно управление на мощността, което е много полезно за съвременните електронни приложения.

Структура и експлоатация на SCR

Фигура 3: Структура и работа на SCR

SCR е съставен от четири полупроводникови слоя, които образуват три PN кръстовища, с анод, катод и терминал на портата.Когато портата се остави несвързана, SCR действа като диод на Шокли, включвайки, когато се достигне напрежението на прекъсване.Въпреки това, прилагането на малко напрежение върху портата позволява нарочно да се задейства SCR.

Пътят на проводимостта на SCR

Когато към портата се прилага малък ток, долният транзистор в SCR се включва.След това това действие включва горния транзистор, създавайки цикъл, който поддържа SCR в състоянието "на", което позволява на тока да тече от анода към катода.След като това се случи, токът на портата вече не е необходим, за да запази SCR.SCR има два транзистора, които работят заедно, за да го запазят, след като започне.Този дизайн помага на SCR да превключва бързо от изключване.

Фигура 4: Пътят на проводимостта на SCR

За да разберете как работи SCR, погледнете вътрешната му настройка.Когато импулс се изпраща към портата, той активира долния транзистор, оставяйки тока да премине през горния транзистор и да държи долния.Този цикъл гарантира, че SCR остава, докато токът не падне под определено ниво, наречен ток на задържане.Това прави SCRS полезен за превключване и управление на захранването надеждно.

Методи за задействане и изстрелване

Задействането, наричано още изстрелване, означава прилагане на импулс на напрежение към терминала на портата на SCR.Този метод гарантира, че SCR се включва само когато е необходимо, без значение дали напрежението надхвърля точката на прекъсване.Обратното задействане, което изключва SCR чрез прилагане на отрицателно напрежение върху портата, също може да се направи, но е по -малко ефективно, тъй като изисква много ток.

Символът на Thistor (GTO) на портата (GTO)

Фигура 5: GTO символ

Задействането на SCR е от ключово значение за неговата работа.Токът на портата, необходим за задействане на SCR, е много по -нисък от тока, който тече през устройството, осигурявайки някакво усилване.След като се задейства, SCR остава в състоянието на проводя, докато токът през него не падне под определено ниво, известно като задържащ ток.Тази характеристика е много полезна при приложения, при които е необходимо контролирано превключване, като се гарантира, че SCR остава, докато токът на товара не падне достатъчно, за да го изключи.Това контролирано активиране и дезактивиране правят SCRs много подходящи за приложения, които изискват прецизно управление на мощността.

Тестване на функционалността на SCR

За да тествате дали SCR работи, можете да започнете с основна проверка, като използвате омметър за измерване на кръстовището на портата към двата.Този прост тест обаче не е достатъчен.Също така трябва да видите как SCR се представя под товар.За задълбочен тест настройте верига с източник на DC захранване и бутон за бутони, за да наблюдавате как SCR се включва и изключва, когато е свързан към товар.

Фигура 6: SCR тестова верига

За да се гарантира, че SCR работят правилно, в тяхното тестване са включени няколко стъпки.Проста тестова схема може да бъде изградена с помощта на постоянен ток захранване, резистор на товар и бутон за бутони, за да симулира процесите на задействане и задържане.Гледайки поведението на SCR в тази настройка, човек може да потвърди способността му да се придържа и да се изключва според очакванията.Този процес на тестване помага да се диагностицират потенциални проблеми и гарантират надеждността на SCR в реални приложения.Изчерпателното тестване при действителни условия на натоварване помага да се намерят всякакви слабости или дефекти в SCR, като се гарантира надеждна ефективност в взискателни приложения.

SCR контрол на променливотоковата мощност

SCR често се използват, когато трябва да се превключват големи количества мощност, но контролните вериги обработват само малък ток и напрежение за простота и надеждност.Това прави SCRs идеални за ситуации, нуждаещи се от силни, но чувствителни механизми за контрол.Например, мощността на изстрелване на портата на SCR може да бъде само 50 микроботон (1 V, 50 µA), като се гарантира, че задействащите контакти управляват само този малък сигнал.След като се задейства, SCR може да обработва и превключва натоварванията на изхода директно, осигурявайки до 100 вата или повече.Това позволява ефективен контрол на системите с висока мощност с минимално напрежение на контролната верига.

Фигура 7: SCR в променлив ток за контрол на мощността

По отношение на това как работят, обратното поведение на SCR е като типичен диод на силиконов изправител, действащ като отворена верига, когато между анода и катодът се прилага отрицателно напрежение.В посока напред, SCR блокира потока на тока, докато напрежението не надвиши определена точка на прекъсване, освен ако не се прилага сигнал на вратата.Когато напрежението напред се надмина или се въведе подходящ сигнал за порта, SCR бързо преминава към проводящо състояние, с нисък спад на напрежението, подобен на този на еднократно изправител.Тази способност за бързо превключване гарантира, че SCR може надеждно да управлява натоварванията с висока мощност, като същевременно поддържа изискване за ниска мощност за контролни операции.

Фигура 8: Серия превключвател

Фигурата по -горе показва прост сериен превключвател (и), който изпраща променлив сигнал към портата на SCR.Резисторът R1 ограничава тока на портата, за да го запази, докато диод D не позволява на обратното напрежение да повлияе на портата по време на непроводящия цикъл.Натоварването (RL), свързано с анода, може да бъде всяка стойност в границите на SCR.Тази настройка гарантира, че SCR функционира надеждно, като контролираното задействане и защита от електрически стрес.

Фигура 9: Вълнените форми на променлив ток

Когато Switch S е отворен, SCR остава изключен, дори ако е налице променлива мощност.Затварящият превключвател S позволява на положителната част от цикъла на променлив ток да задейства SCR, което води до това да се провежда, тъй като анодът е положителен.SCR се включва за по -малко от половината цикъл и остава извън отрицателната част на цикъла.Closing S контроли, когато SCR се включи, което позволява на тока да тече през товара.За да спрете тока, можете да отворите Switch S или да изчакате отрицателния цикъл, който изключва SCR.Тази настройка позволява лесен контрол на текущия поток във веригата.

Фигура 10: Шунт превключвател

За да контролирате SCR, можете да използвате DC на портата.Прилагането на DC към портата включва SCR.Друг начин е чрез използване на превключвател между портата и катода.Отварянето на превключвателя включва SCR, което позволява токът да тече през товара.За да изключите SCR и да спрете тока, затворете превключвателя или нанесете отрицателно напрежение върху анода.Този метод помага за контролиране на устройства като скорост на двигателя и нива на мощност.

Фигура 11: Заредете тока със затворен превключвател

Илюстрират се два други прости метода за превключване на захранване към товари.В първата верига затварянето на задействащия контакт захранва захранването към натоварването, докато отварянето на контакта отрязва мощността.Обратно, втората верига работи в обратна посока: мощността се доставя към товара само когато контактът е отворен.И двете вериги могат да бъдат настроени за „закрепване“ с помощта на постоянен ток вместо показания променлив ток.

В първата верига разделител на напрежението, съставен от резистори R2 и R3, осигурява сигнала на променлив ток към SCR.Това позволява на SCR да стреля и захранва, когато контактът е затворен.Във втората верига затварянето на превключвателя прави портата и катодът да имат същия потенциал, като предотвратяват стрелбата на SCR и по този начин се отрязва мощността към товара.Тази проста настройка гарантира ясен и предвидим контрол на мощността към натоварването във всяка конфигурация.

Фигура 12: Заредете тока с отворен превключвател

Променливотоковата мощност може да се контролира с помощта на веригата, показана по -долу.В тази настройка два SCR са свързани отзад, за да управляват двата полуциклика на променливотоковото напрежение.Тази конфигурация гарантира, че всеки SCR се справя с половин цикъл на формата на променлив ток, което позволява ефективен и прецизен контрол на мощността, доставена до товара.

Фигура 13: Променлив ток с два SCR

Контрол на тока се предава към портите през резистор R3, когато външен превключвател (механичен или електронен) свързва контролните терминали.Този превключвател може да бъде контролиран от различни сензори като светлина, топлина или налягане, които активират електронен усилвател.Когато превключвателят се затвори, SCR се задейства с всеки променлив цикъл, което позволява на мощността да тече към товара.Когато превключвателят се отвори, SCR не стреля и не се доставя мощност на товара.Този механизъм ефективно управлява променливотоковата мощност, доставена за товара.

Приложения и видове SCR

SCR се използват в много полета, тъй като имат силни функции за управление.Те включват преобразуване на мощност, двигателно управление и осветителни системи.Разработени са различни видове SCR, за да отговарят на специфични нужди:

Стандартен SCR: Използва се за общи цели.

Бързо превключване SCR: Проектиран за високочестотни приложения.

Светло, задействано SCR (LTS): Използва светлина за задействане, осигурявайки електрическа изолация.

CONTER OFF SCR (GTO): Позволява както контрол на включване, така и изключване.

Обратно блокиране SCR: Може да блокира тока в двете посоки.

Трифазен мост SCR контрол на товара

Всеки тип SCR е направен за специфични нужди.Стандартните SCR са гъвкави и се използват в много приложения, докато бързо превключването на SCR са идеални за високоскоростни операции.Светловите SCRS (LTS) използват светлина, за да задействат портата, осигурявайки отлична електрическа изолация.Изключването на портата SCRS (GTO) може да се включи и изключва, като ги прави подходящи за приложения с висока мощност.Обратното блокиране на SCR са проектирани да блокират токовия поток и в двете посоки, подобрявайки използването им в сценарии за контрол на мощността на променлив ток.

Фигура 14: Трифазен мост SCR контрол на товара

Практически приложения и разширени употреби на SCR

SCR се използват широко в много приложения поради техните силни функции за управление.Някои забележителни приложения включват:

Системи за преобразуване на мощност: SCR са ключови компоненти в системите за преобразуване на мощност, управлявайки промяната от променлив ток в DC захранване и обратно.Тези системи се използват както в индустриални настройки, така и в потребителската електроника, където е необходимо стабилно и надеждно захранване.

Контрол на двигателя: В приложенията за управление на двигателя SCR регулират скоростта и въртящия момент на електрическите двигатели.Чрез промяна на ъгъла на изстрелване, SCRS контролира мощността, доставена на двигателя, което позволява прецизно управление върху неговата работа.

Системи за осветление: SCR се използват за гладко затъмнени светлини, като контролират фазовия ъгъл на захранването на променлив ток.Тази способност осигурява икономия на енергия и повишава атмосферата в приложенията за осветление.

Контроли за отопление: В приложенията за отопление SCR регулират мощността, доставена на нагревателни елементи, поддържайки желаната температура с висока точност.Това е особено полезно при индустриалните процеси, изискващи прецизен контрол на температурата.

Защитни вериги: SCRs действат като тълпи в защитни вериги, късо съединение на захранването в случай на състояние на пренапрежение, за да предпазят чувствителните електронни компоненти от повреда.

Широкият диапазон от приложения показва гъвкавостта и полезността на SCR в съвременната електроника, където са необходими прецизни контролни и надеждни характеристики.

Подробен анализ на SCR характеристиките

Разбирането на специфичните характеристики на SCR е от ключово значение за тяхната ефективна употреба.Ключовите характеристики включват:

Напрежение на спусъка на портата (v_GT)

Минималното напрежение на портата, необходимо за включване на SCR.

Задържане на ток (i_З)

Минималният ток, необходим за поддържане на SCR дирижирането.

Записване на ток (i_L)

Минималният ток, необходим за поддържане на SCR в състоянието "на", след като спусъкът на портата е отстранен.

Напрежение на прекъсване (V_Бо)

Напрежението, при което SCR ще се включи без никакъв ток на портата.

Блокиращо напрежение напрежение (v_DRM)

Максималното напрежение, което SCR може да блокира в посока напред, без да се провежда.

Обратно блокиращо напрежение (v_RRM)

Максималното напрежение, което SCR може да блокира в обратна посока.

Спад на напрежението на състоянието (v_Tm)

Спадът на напрежението през SCR, когато се провежда.

DV/DT рейтинг

Максималната скорост на повишаване на напрежението извън състоянието, която SCR може да издържи, без да се включва.

DI/DT рейтинг

Максималната скорост на повишаване на състоянието на състоянието, с която SCR може да се справи без повреди.

SCR защита и схема на вериги

За да се подобри надеждността на SCR в практически приложения, често се използват защитни вериги.Един често срещан метод е използването на схемати с вериги.Snubber вериги защитават SCRs от високи DV/DT и DI/DT напрежения, които могат да причинят ранна недостатъчност.

Фигура 15: SCR защита

За да защити SCR от внезапни шипове на напрежение, всеки SCR в схема на конвертор има паралелна R-C Snubber мрежа.Тази мрежа на Snubber защитава SCR срещу вътрешни шипове на напрежение, които възникват по време на процеса на обратното възстановяване.Когато SCR е изключен, обратният ток на възстановяване се пренасочва към схемата на Snubber, която съдържа елементи за съхранение на енергия.

Светкавицата и превключването на пренапрежение от страна на входната страна могат да повредят конвертора или трансформатора.За да се намали въздействието на тези напрежения, устройствата за затягане на напрежението се използват през SCR.Общите устройства за затягане на напрежението включват варистори от метални оксид, диоди на селен тиректор и потискащи диодни диоди.

Тези устройства имат намаляващо съпротивление с увеличаване на напрежението, осигурявайки път с ниска устойчивост през SCR, когато се появи напрежение на пренапрежение.Фигурата по -долу показва как SCR е защитен от над напрежения с помощта на тиректорна диодна и свалена мрежа.

Усъвършенствани техники за задействане на SCR

Фигура 16: Техника на задействане

Отвъд простото задействане на портата, усъвършенстваните методи могат допълнително да подобрят производителността на SCR при сложни настройки.Тези методи включват:

• Задействане на пулса

Използването на кратки, високотокови импулси за активиране на SCR гарантира, че той се включва надеждно дори в шумни среди.

• Фазово контролирано задействане

Изравняването на SCR, задействащо с променливотоковото захранване, позволява прецизен контрол върху мощността, изпратена до товара.

• Оптично изолирано задействане

Използването на оптични изолатори за задействане на SCR осигурява електрическа изолация и защитава контролната верига от високи напрежения.

• Задействане на базата на микроконтролер

Използването на микроконтролери за генериране на прецизни задействащи импулси позволява сложни схеми за управление и по -добра работа в сложни настройки.

SCR задействане на базата на микроконтролер

Фигура 17: SCR задействане на базата на микроконтролер

Тези усъвършенствани техники за задействане предлагат по -голяма гъвкавост и контрол в SCR приложенията, което ги прави подходящи за широк спектър от индустриална и потребителска електроника.Използвайки тези методи, инженерите могат да постигнат по-точен и надежден контрол върху системите за управление на мощността, подобрявайки общата ефективност и ефективност на SCR-базирани решения.

SCRs в съвременната електроника на захранването

SCR са ключови части при създаването на ефективни и надеждни системи за контрол на мощността.Те правят голяма разлика в няколко основни области, включително:

Системи за възобновяема енергия: SCR се използват в енергийните инвертори и контролери за конвертиране и управление на енергия от възобновяеми източници като слънчева и вятър.Те се справят с високите нива на мощност и осигуряват прецизно управление, което ги прави идеални за тези приложения.

Електрически превозни средства: В електрическите превозни средства (EVs) SCR се използват в контролерите на двигателя и системите за зареждане на батерията.Те управляват потока на захранването между батерията и двигателя, осигурявайки ефективна работа и по -дълъг живот на батерията.

Smart Grids: В приложенията на Smart Grid SCRs управляват разпределението на електрическата енергия.Те се използват в обвързани с решетка инвертори, регулатори на напрежението и фазови ъглови контролери, за да се осигури стабилно и ефективно доставяне на мощност.

Индустриална автоматизация: SCR се използват при двигателни задвижвания, контроли за отопление и системи за контрол на процесите в индустриалната автоматизация.Те се справят с висока мощност и осигуряват прецизно управление, което ги прави основни компоненти в автоматизирани производствени процеси.

Непрекъснати захранвания (UPS): SCRs осигуряват надеждно резервно копие на електроенергията по време на прекъсвания в UPS системи.Те помагат безпроблемно да преминат между основното захранване и източника на резервно захранване, като гарантират непрекъснатата мощност към ключовите системи.

Бъдещи тенденции и иновации в SCR технологията

Развитието на SCR технологията продължава да се подобрява, за да отговори на необходимостта от по -добър и надежден контрол на мощността.Нови полупроводникови материали като силициев карбид (SIC) и галий нитрид (GAN) правят SCR да работят по -добре чрез работа с по -високи напрежения, намаляване на устойчивостта и подобряване на управлението на топлината.Интегрираната порта за комутирани тиристори (IGCT) комбинира предимствата на GTOS и IGBT, предлагайки бързо превключване, ниска загуба на енергия и възможност за справяне с висока мощност за взискателни приложения.Методите за цифрово управление с SCR позволяват прецизен и гъвкав контрол, което прави системите по -ефективни и надеждни.Напредъкът в техниките за производство прави SCRs по -малки и подходящи за преносими устройства, което е полезно за потребителската електроника.Подобрените функции за защита в SCRs, като вградени сгради и защита от свръхток, също ги правят по-надеждни и по-лесни за използване.

Заключение

Контрол на тока се предава към портите през резистор R3, когато външен превключвател (механичен или електронен) свързва контролните терминали.Този превключвател може да бъде контролиран от сензори като светлина, топлина или налягане, които активират електронен усилвател.Когато превключвателят се затвори, SCR се задейства с всеки променлив цикъл, което позволява мощност към натоварването.Когато превключвателят се отвори, SCR не стрелят, спирайки потока на мощността.Този механизъм контролира променливотоковата мощност към натоварването.

Подобренията в полупроводниковите материали като силициев карбид (SIC) и галий нитрид (GAN) ще направят SCRs по -ефективни и издръжливи.Иновации като интегрирани портани, пътуващи тиристори (IGCT) и техники за цифрово управление ще подобрят производителността на SCR с по -бързо превключване, по -ниски загуби на енергия и по -добра надеждност.SCR ще продължат да играят ключова роля в новите технологии, от интелигентни мрежи до електрически превозни средства, като гарантират ефективен и надежден контрол на мощността.

Често задавани въпроси [FAQ]

1. Какви са предимствата на контролиран от силициев токоизправител?

Силиконовият контролиран токоизправител (SCR) предлага няколко предимства, включително ефективен контрол на мощността, висока надеждност, възможност за обработка на високи напрежения и токове и прецизен контрол върху потока на мощността.SCR също осигуряват бързи скорости на превключване и са издръжливи в сурови среди, което ги прави подходящи за различни индустриални приложения.

2. Каква е целта на диода на силициевия изправител?

За преобразуване на редуващия ток (AC) се използва диод на силиконов изправител в директен ток (DC).Той позволява на тока да тече само в една посока, осигурявайки коригиране, което е необходимо в захранването и други електронни вериги.

3. Защо се нуждаем от контролиран изправител?

Контролираните токоизправители се използват за прецизно управление и контрол на потока на захранването в електронни устройства.Те позволяват регулиране на изходното напрежение и ток, което е необходимо в приложения като контрол на скоростта на двигателя, захранвания и затъмнени светлини.Контролираните токоизправители подобряват ефективността и осигуряват стабилност при доставката на енергия.

5. Какво е заключението на SCR?

SCR е универсален и надежден компонент в електрониката на мощността.Той осигурява прецизен контрол върху приложенията с висока мощност и напрежение, което го прави ценен в различни индустрии.SCR продължават да се подобряват с напредъка в материалите и технологиите, като гарантират тяхното значение в бъдещите приложения.

6. Какви са приложенията на диода, контролиран от силиций?

Приложенията на контролирани от силиций диоди на токоизправител включват контрол на скоростта на двигателя, затъмняване на светлината, регулиране на мощността в променливотоковите и постояннотоковите захранващи системи, защитата на пренапрежение и инверторите.Те се използват и в индустриалната автоматизация, захранването и системите за възобновяема енергия като слънчеви и вятърни конвертори.