на 2024/06/7 10,842

Понимание выпрямителя контролируемого кремния (SCR)

Управляемый кремниевым выпрямителем (SCR) является ключевой частью электроники, развивающейся из более простого диода Shockley.Диод Shockley действовал как основной переключатель, но не мог контролироваться извне.Добавление терминала затвора для создания SCR разрешено точное управление над его проводимостью, превращая его в активный компонент для управления мощностью в различных цепях.Эта статья охватывает структуру и работу SCR, включая ее внутреннюю конфигурацию и механизм положительной обратной связи для эффективного переключения.Это объясняет различные методы запуска и необходимость контролируемой активации для надежной производительности.В статье также обсуждается тестирование функциональности SCR, использование в управлении мощностью переменного тока, расширенные методы запуска, типы SCR и новые тенденции в технологии SCR.Цель состоит в том, чтобы дать четкое понимание SCR, как они работают, и их роль в современной электронике.

Каталог

Shockley Diode для SCR

Рисунок 1: диод Shockley

Диод Shockley, ранняя версия устройства PNPN, работает как базовый переключатель, который включается, когда он достигает определенного напряжения.Тем не менее, он имеет ограниченное использование, потому что ему не хватает контроля над своим переключением.Введение SCR улучшается на диоде Shockley, добавив терминал затвора.Это дополнение позволяет использовать внешнее состояние проводимости устройства, изменяя его с простого переключения на активное компонент, который может с большей точностью обрабатывать более высокие уровни мощности.Это изменение значительно увеличивает полезность устройства, что делает его подходящим для многих других электронных цепей.

Контролируемая кремниевая структура выпрямителя

Рисунок 2: Переключатель с контролируемым кремнием

Эволюция от диода Shockley в SCR включает добавление терминала затвора в существующую структуру PNPN.Этот терминал затвора позволяет SCR управлять внешним сигналом, обеспечивая способ включить и выключать устройство по мере необходимости.Это изменение делает SCR активным компонентом, значительно расширяя его использование в различных электронных цепях.Возможность управления действием переключения с помощью внешнего сигнала создает новые возможности для точного управления питанием, что очень полезно для современных электронных приложений.

Структура и работа SCR

Рисунок 3: Структура и работа SCR

SCR состоит из четырех полупроводниковых слоев, которые образуют три PN -соединения с анодом, катодом и терминалом затвора.Когда ворота оставались не подключенными, SCR действует как диод Shockley, включив, когда достигается напряжение на расстоянии.Тем не менее, применение небольшого напряжения к затвору позволяет SCR намеренно.

Проводящий путь SCR

Когда к воротам применяется небольшой ток, нижний транзистор в SCR включается.Затем это действие включает верхний транзистор, создавая петлю, которая удерживает SCR в состоянии «на», позволяя току перетекать из анода к катоду.После того, как это произойдет, ток ворот больше не нужен, чтобы сохранить SCR.SCR имеет два транзистора, работающих вместе, чтобы сохранить его, как только он начнется.Этот дизайн помогает SCR быстро переключаться с выключения.

Рисунок 4: Путь проводимости SCR

Чтобы понять, как работает SCR, посмотрите на его внутреннюю настройку.Когда импульс отправляется на ворота, он активирует нижний транзистор, позволяя току проходить через верхний транзистор и сохраняя нижнюю.Этот цикл гарантирует, что SCR остается включенным до тех пор, пока ток не упадет ниже определенного уровня, называемого током удержания.Это делает SCR полезным для надежного переключения и управления мощностью.

Методы запуска и стрельбы

Запуск, также называемый стрельбой, означает применение импульса напряжения к терминалу затвора SCR.Этот метод гарантируется, что SCR включается только при необходимости, независимо от того, превышает ли напряжение выше точки расщепления.Обратное запуск, который отключает SCR, применив отрицательное напряжение к воротам, также может быть сделано, но является менее эффективным, поскольку он требует большого тока.

Символ отключения тиристора (GTO)

Рисунок 5: Символ GTO

Запуск SCR является ключом к его работе.Ток затвора, необходимый для запуска SCR, намного ниже, чем ток, протекающий через устройство, обеспечивая некоторое усиление.После запуска SCR остается в состоянии проведения до тех пор, пока ток через него не упадет ниже определенного уровня, известного как ток удержания.Эта характеристика очень полезна в приложениях, где необходимо контролируемое переключение, гарантируя, что SCR останется до тех пор, пока ток нагрузки не упадет достаточно, чтобы выключить его.Эта контролируемая активация и дезактивация делают SCR очень подходящими для приложений, которые требуют точного управления питанием.

Тестирование функциональности SCR

Чтобы проверить, работает ли SCR, вы можете начать с базовой проверки, используя OhMmeter, чтобы измерить соединение от затвора к катоде.Однако этого простого теста недостаточно.Вам также нужно увидеть, как SCR работает под нагрузкой.Для тщательного теста настройте схему с источником питания постоянного тока и выключателями Pushtton, чтобы наблюдать, как SCR включается и выключается при подключении к нагрузке.

Рисунок 6: Схема тестирования SCR

Чтобы обеспечить правильную работу SCR, в их тестировании участвуют несколько шагов.Простая тестовая схема может быть построена с использованием источника питания постоянного тока, нагрузочного резистора и кнопок для моделирования процессов запуска и удержания.Наблюдая за поведением SCR в этой установке, можно подтвердить его способность защелкиваться и выключаться, как и ожидалось.Этот процесс тестирования помогает диагностировать потенциальные проблемы и обеспечивает надежность SCR в реальных приложениях.Комплексное тестирование в фактических условиях нагрузки помогает найти недостатки или дефекты в SCR, обеспечивая надежную производительность в требовательных приложениях.

Управление мощностью переменного тока SCR

SCR часто используются там, где необходимо переключать большое количество мощности, но управляющие цепи обрабатывают только небольшой ток и напряжение для простоты и надежности.Это делает SCR идеальными для ситуаций, нуждающихся в сильных, но чувствительных механизмах управления.Например, мощность стрельбы затвора SCR может составлять всего 50 микроволн (1 В, 50 мкА), гарантируя, что приступающие контакты управляют только этим небольшим сигналом.После запуска SCR может обрабатывать, а выходной нагрузки напрямую загружается, обеспечивая до 100 Вт или более.Это позволяет эффективно контролировать мощные системы с минимальной нагрузкой на схему управления.

Рисунок 7: SCR в управлении мощностью переменного тока

С точки зрения того, как они работают, обратное поведение SCR подобно типичному диоду кремниевого выпрямителя, действуя как открытая цепь, когда между анодом и катодом применяется отрицательное напряжение.В прямом направлении SCR блокирует ток тока до тех пор, пока напряжение не превысит определенную точку прорывника, если не применяется сигнал затвора.Когда превышение напряжения на прямом разрыве или вводится соответствующий сигнал затвора, SCR быстро переходит в состояние проводящего, с низким отключением напряжения вперед, аналогично выпрямительнице с одним соединением.Эта способность быстрого переключения гарантирует, что SCR может надежно управлять мощными нагрузками, сохраняя при этом требования с низкой мощностью для операций управления.

Рисунок 8: серийный переключатель

На рисунке выше показан простой серийный переключатель (ы), который отправляет сигнал переменного тока на ворота SCR.Резистор R1 ограничивает ток затвора, чтобы сохранить его в безопасности, в то время как диод D предотвращает воздействие обратного напряжения воздействовать на затвор во время непроводящего цикла.Нагрузка (RL), подключенная к аноду, может быть любым значением в пределах SCR.Эта установка гарантирует, что SCR работает надежно, с контролируемым запусками и защитой от электрического напряжения.

Рисунок 9: Формы волны переменного тока

Когда Switch S открыт, SCR остается отключенным, даже если мощность переменного тока присутствует.Закрытие переключателя позволяет положительной части цикла переменного тока инициировать SCR, вызывая его проведение, потому что анод положительный.SCR включается менее чем за половину цикла и останавливается во время отрицательной части цикла.Закрытие элементов управления при включении SCR, позволяя току проходить через нагрузку.Чтобы остановить ток, вы можете открыть переключатель или ждать отрицательного цикла, который отключает SCR.Эта настройка позволяет легко управлять потоком тока в цепи.

Рисунок 10: Шуту

Чтобы управлять SCR, вы можете использовать DC на ворот.Применение DC к воротам включает SCR.Другой способ - использовать переключатель (ы) между затвором и катодом.Открытие переключателя включает SCR, позволяя току проходить через нагрузку.Чтобы выключить SCR и остановить ток, закройте переключатель или примените отрицательное напряжение к аноду.Этот метод помогает в управлении устройствами, такими как скорость двигателя и уровни мощности.

Рисунок 11: Ток нагрузки с закрытым переключателем

Два других простых метода переключения питания на нагрузки проиллюстрированы.В первом цепи закрытие вступающего контактного контакта поставляет питание на нагрузку, при открытии контакта сокращает мощность.И наоборот, вторая цепь работает в обратном направлении: питание подается на нагрузку только при открытии контакта.Обе схемы могут быть настроены на «защелку», используя подачу постоянного тока вместо показанного AC.

В первом цепи разделение напряжения, состоящее из резисторов R2 и R3, предоставляет сигнал затвора переменного тока для SCR.Это позволяет SCR к стрельбе и питанию, когда контакт закрыт.Во втором цепи закрытие переключателя заставляет затвор и катод обладать таким же потенциалом, предотвращая стрельбу SCR и, таким образом, разрезание питания на нагрузку.Эта простая настройка обеспечивает четкое и предсказуемое управление питанием на нагрузку в любой конфигурации.

Рисунок 12: Ток нагрузки с открытым переключателем

Мощность переменного тока может контролироваться с использованием схемы, показанной ниже.В этой настройке два SCR подключены обратно в спинку, чтобы управлять оба полуцикла напряжения переменного тока.Эта конфигурация гарантирует, что каждый SCR обрабатывает один полуцикл формы волны переменного тока, позволяя эффективно и точно управлять мощностью, предоставленной на нагрузку.

Рисунок 13: Переключатель переменного тока с двумя SCR

Ток управления течет в ворота через резистор R3, когда внешний переключатель (механический или электронный) соединяет клеммы управления.Этот переключатель может контролироваться различными датчиками, такими как свет, тепло или давление, которые активируют электронный усилитель.Когда переключатель закрывается, SCR запускаются с помощью каждого цикла переменного тока, что позволяет питание переходить к нагрузке.Когда выключатель откроется, SCR не стреляют, а мощность не доставляется на груз.Этот механизм эффективно управляет мощностью переменного тока, поставляемой на нагрузку.

Приложения и типы SCR

SCR используются во многих областях, потому что они имеют сильные функции контроля.К ним относятся преобразование мощности, управление двигателем и системы освещения.Разные типы SCR были разработаны для удовлетворения конкретных потребностей:

Стандартный SCR: Используется для общих целей.

Быстрое переключение SCR: Разработано для высокочастотных приложений.

Светообразованный SCR (LTS): Использует свет для запуска, обеспечивая электрическую изоляцию.

Отключение ворот SCR (GTO): Позволяет как включение, так и управление выключением.

Обратная блокировка SCR: Может блокировать ток в обоих направлениях.

Трехфазный мостовой контроль SCR нагрузки

Каждый тип SCR создан для конкретных потребностей.Стандартные SCR гибкие и используются во многих приложениях, в то время как быстро переключающие SCR идеально подходят для высокоскоростных операций.Светообразованные SCR (LTS) Используйте свет, чтобы запустить затвор, обеспечивая отличную электрическую изоляцию.SCR отключения ворот (GTO) могут включать и выключить, что делает их подходящими для мощных применений.Обратные блокирующие SCR предназначены для блокировки потока тока в обоих направлениях, улучшая их использование в сценариях управления мощностью переменного тока.

Рисунок 14: Трехфазный мост.

Практические приложения и расширенное использование SCR

SCR широко используются во многих приложениях из -за их сильных функций контроля.Некоторые примечательные приложения включают в себя:

Системы преобразования питания: SCR являются ключевыми компонентами в системах преобразования питания, управляя переходом от мощности AC на DC и наоборот.Эти системы используются как в промышленных условиях, так и в потребительской электронике, где необходим стабильный и надежный источник питания.

Управление двигателем: в приложениях управления двигателем SCR регулируют скорость и крутящий момент электродвигателей.Изменив угол стрельбы, SCR управляет мощностью, поданной в двигатель, позволяя точно управлять его работой.

Системы освещения: SCR используются для плавного тумбочного света, управляя фазовым углом подачи переменного тока.Эта способность обеспечивает экономию энергии и улучшает атмосферу в приложениях освещения.

УПРАВЛЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ: В приложениях для нагревания SCR регулируют мощность, поставляемую на отопление элементов, поддерживая желаемую температуру с высокой точностью.Это особенно полезно в промышленных процессах, требующих точного контроля температуры.

Защитные цепи: SCR действуют как лома в защитных цепях, кратковременно заправляя источник питания в случае перевальника для защиты чувствительных электронных компонентов от повреждений.

Широкий спектр приложений показывает гибкость и полезность SCR в современной электронике, где необходим точный контроль и надежная производительность.

Подробный анализ характеристик SCR

Понимание конкретных характеристик SCR является ключевым для их эффективного использования.Ключевые характеристики включают:

Напряжение триггера затвора (V_Гт)

Минимальное напряжение затвора, необходимое для включения SCR.

Удерживая ток (я_ЧАС)

Минимальный ток, необходимый для поддержания проведения SCR.

Защелка тока (я_Л)

Минимальный ток, необходимый для поддержания SCR в состоянии «на» после удаления триггера затвора.

Напряжение прорывного разрыва (v_Боевой)

Напряжение, при котором SCR будет включать без какого -либо тока затвора.

Прямое блокирование напряжения (v_Дрм)

Максимальное напряжение, которое SCR может блокировать в прямом направлении без ведения.

Обратное напряжение блокировки (v_Rrm)

Максимальное напряжение, которое SCR может блокировать в обратном направлении.

Падение напряжения в штате (V_ТМ)

Напряжение падает на SCR, когда он проводит.

рейтинг DV/DT

Максимальная скорость роста напряжения вне штата, которое SCR может выдержать, не включается.

рейтинг DI/DT

Максимальная скорость роста тока штата, с которым SCR может обрабатывать без повреждений.

Защита SCR и схемы схватки

Чтобы повысить надежность SCR в практических применениях, часто используются защитные цепи.Одним из распространенных методов является использование цепей Snubber.Схемы сдуббер защищают от SCR с высокими напряжениями DV/DT и DI/DT, что может вызвать раннюю неудачу.

Рисунок 15: Защита SCR

Чтобы защитить SCR от резких пиков напряжения, каждый SCR в схеме преобразователя имеет параллельную сеть R-C Snubber.Эта сеть Snubber гарантирует SCR от внутренних пиков напряжения, которые происходят во время процесса обратного восстановления.Когда SCR выключен, ток обратного восстановления перенаправляется на цепь Snubber, которая содержит элементы хранения энергии.

Молния и скачки переключения на входной стороне могут повредить преобразователь или трансформатор.Чтобы уменьшить влияние этих напряжений, по всему SCR используются устройства зажима напряжения.Устройства общего напряжения включают варисторы оксида металлов, диоды селена -тиректора и супрессоры диодов лавина.

Эти устройства имеют снижение сопротивления при увеличении напряжения, обеспечивая путь с низким уровнем устойчивости через SCR, когда возникает напряжение на первом месте.На рисунке ниже показано, как SCR защищен от чрезмерных напряжений, используя диод тиректора и сеть Snubber.

Усовершенствованные методы запуска для SCR

Рисунок 16: Техника запуска

Помимо простого запуска затвора, передовые методы могут дополнительно улучшить производительность SCR в сложных настройках.Эти методы включают в себя:

• Пульс запуска

Использование коротких, высокоточных импульсов для активации SCR гарантирует, что он надежно включается даже в шумных средах.

• Фаза-контролируемая запуск

Выравнивание SCR, запускающегося с помощью питания переменного тока, позволяет точно управлять мощностью, отправляемой на нагрузку.

• Оптически изолированный запуск

Использование оптических изоляторов для запуска SCR обеспечивает электрическую изоляцию и защищает схему управления от высоких напряжений.

• Запуск на основе микроконтроллера

Использование микроконтроллеров для генерации точных запускающих импульсов позволяет сложные схемы управления и лучшую производительность в сложных настройках.

Запуск SCR на основе микроконтроллера

Рисунок 17: Запуск SCR на основе микроконтроллера

Эти расширенные методы запуска предлагают большую гибкость и контроль в приложениях SCR, что делает их подходящими для широкого спектра промышленной и потребительской электроники.Используя эти методы, инженеры могут достичь более точного и надежного контроля над системами управления питанием, повышая общую эффективность и производительность решений на основе SCR.

SCR в современной электронике

SCR являются ключевыми частями в создании эффективных и надежных систем управления мощностью.Они имеют большое значение в нескольких основных областях, в том числе:

Системы возобновляемых источников энергии: SCR используются в энергетических инверторах и контроллерах для преобразования и управления мощностью из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия и ветер.Они обрабатывают высокие уровни мощности и обеспечивают точный контроль, что делает их идеальными для этих приложений.

Электрические транспортные средства: в электромобилях (EV) SCR используются в контроллерах двигателей и зарядных системах аккумулятора.Они управляют потоком мощности между аккумулятором и двигателем, обеспечивая эффективную работу и более длительный срок службы батареи.

Умные сетки: в приложениях Smart Grid SCR управляют распределением электроэнергии.Они используются в инверторах, связанных с сетью, регуляторами напряжения и контроллерам фазового угла для обеспечения стабильной и эффективной подачи мощности.

Промышленная автоматизация: SCR используются в двигательных приводах, управлении отоплением и системами управления процессами в промышленной автоматизации.Они обрабатывают высокую мощность и обеспечивают точный контроль, что делает их основными компонентами в автоматизированных производственных процессах.

Непрерывные источники питания (UPS): SCR обеспечивают надежное резервное копирование питания во время отключений в системах UPS.Они помогают плавно переключаться между основным источником питания и источником резервного питания, обеспечивая непрерывную мощность для ключевых систем.

Будущие тенденции и инновации в технологии SCR

Разработка технологии SCR продолжает улучшаться, чтобы удовлетворить необходимость лучшего и более надежного контроля энергии.Новые полупроводниковые материалы, такие как карбид кремния (SIC) и нитрид галлия (GAN), заставляют SCR лучше работать, обрабатывая более высокие напряжения, снижая сопротивление и улучшая управление тепла.Интегрированные ворота коммутации Thyristors (IGCT) объединяют преимущества GTO и IGBT, предлагая быстрое переключение, низкую потерю энергии и возможность обрабатывать высокую мощность для требовательных приложений.Цифровые методы управления с SCR позволяют определять точный и гибкий контроль, делая системы более эффективными и надежными.Достижения в области технологий производства делают SCR меньше и подходящими для портативных устройств, что полезно для потребительской электроники.Усовершенствованные функции защиты в SCR, такие как встроенные схемы Snubber и защита от перегрузки, также делают их более надежными и проще в использовании.

Заключение

Ток управления течет в ворота через резистор R3, когда внешний переключатель (механический или электронный) соединяет клеммы управления.Этот переключатель может контролироваться датчиками, такими как свет, тепло или давление, которые активируют электронный усилитель.Когда переключатель закрывается, SCRS запускает каждый цикл переменного тока, позволяя питание на нагрузку.Когда выключатель открывается, SCR не стреляют, останавливая поток мощности.Этот механизм контролирует мощность переменного тока на нагрузку.

Улучшения в полупроводниковых материалах, таких как карбид кремния (SIC) и нитрид галлия (GAN), сделают SCR более эффективными и долговечными.Инновации, такие как интегрированные ворота, переключали тиристоры (IGCT) и методы цифрового управления, повысят производительность SCR с более быстрым переключением, более низкими потери энергии и лучшей надежностью.SCR будет продолжать играть ключевую роль в новых технологиях, от интеллектуальных сетей до электромобилей, обеспечивая эффективное и надежное управление мощностью.

Часто задаваемые вопросы [FAQ]

1. Каковы преимущества выпрямителя, контролируемого кремния,?

Выпрямитель, контролируемый кремния (SCR), предлагает несколько преимуществ, включая эффективное управление мощностью, высокую надежность, возможность обрабатывать высокие напряжения и токи, а также точный контроль над потоком мощности.SCR также обеспечивают быстрые скорости переключения и долговечны в суровых условиях, что делает их подходящими для различных промышленных видов использования.

2. Какова цель диода выпрямителя кремния?

Диод кремниевого выпрямителя используется для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC).Это позволяет току течь только в одном направлении, обеспечивая исправление, которое необходимо для источников питания и других электронных цепей.

3. Зачем нам нужен контролируемый выпрямитель?

Контролируемые выпрямители используются для точного управления и управления потоком мощности в электронных устройствах.Они позволяют регулировать выходное напряжение и ток, который необходим в таких приложениях, как управление скоростью двигателя, расходные материалы и светильники.Контролируемые выпрямители повышают эффективность и обеспечивают стабильность в доставке питания.

5. Каков вывод SCR?

SCR является универсальным и надежным компонентом в электронике.Он обеспечивает точный контроль над приложениями высокой мощности и напряжения, что делает его ценным в различных отраслях.SCR продолжают улучшаться с достижениями в области материалов и технологий, обеспечивая их актуальность в будущих приложениях.

6. Каковы приложения диода выпрямителя, контролируемого кремния,?

Применение диодов выпрямителя, контролируемых кремния, включают в себя управление скоростью двигателя, светофов, регулирование мощности в энергосистемах переменного тока и постоянного тока, защиту от перенапряжения и инверторы.Они также используются в промышленной автоматизации, расходных материалах и системах возобновляемых источников энергии, таких как солнечные и ветровые преобразователи.