Silicijev krmiljeni usmernik (SCR) – delovanje, konstrukcija, sprožilne metode, vrste in aplikacije

Silicijev krmiljeni usmernik (SCR) je ključna močnostna polprevodniška naprava, ki se pogosto uporablja za nadzor visoke napetosti in toka v električnih in industrijskih sistemih. Njegova sposobnost učinkovitega preklapljanja in uravnavanja moči je uporabna v pretvornikih, motornih pogonih in avtomatizacijskih vezjih. Ta članek pojasnjuje konstrukcijo SCR, načelo delovanja, značilnosti, vrste in praktične aplikacije na jasen in strukturiran način.

Kaj je silicijev krmiljeni usmernik (SCR)?

Silicijev krmiljeni usmernik (SCR) je tri-terminalna močnostna polprevodniška naprava, ki se uporablja za krmiljenje in preklapljanje visoke napetosti in toka v električnih tokokrogih. Je član družine tiristorjev in ima štiriplastno strukturo PNPN. Za razliko od preproste diode, SCR omogoča nadzorovano preklapljanje, ker se vklopi le, ko se uporabi sprožilni signal vrat. Pogosto se uporablja v pretvornikih AC/DC, motornih pogonih, polnilcih baterij in industrijski avtomatizaciji zaradi visoke zmogljivosti in učinkovitosti ravnanja z energijo.

Konstrukcija in simbol SCR

Silicijev nadzorovani usmernik (SCR) je zgrajen s štirimi nadomestnimi plastmi polprevodniških materialov tipa P in N, ki tvorijo strukturo PNPN s tremi stičišči: J1, J2 in J3. Ima tri terminale:

• Anoda (A): Priključena na zunanjo P-plast

• Katoda (K): Povezana z zunanjo N-plastjo

• Vrata (G): Povezana z notranjo P-plastjo in uporabljena za sprožitev

Mednarodno lahko SCR modeliramo kot dva medsebojno povezana tranzistorja - enega PNP in enega NPN - ki tvorita regenerativno povratno zanko. Ta notranja struktura pojasnjuje zapahanje SCR, kjer nadaljuje tudi po odstranitvi signala vrat.

Simbol SCR spominja na diodo, vendar vključuje terminal vrat za krmiljenje. Tok teče od anode do katode, ko se naprava sproži skozi vrata.

Delovanje SCR

SCR deluje v treh električnih stanjih, ki temeljijo na napetosti anode-katode in signalu vrat:

Način obratnega blokiranja

Ko je anoda negativna glede na katodo, sta stičišča J1 in J3 obratno pristranska. Teče le majhen tok uhajanja. Prekoračitev meje povratne napetosti lahko poškoduje napravo.

Način blokiranja naprej (stanje OFF)

S pozitivno anodo in negativno katodo sta stičišča J1 in J3 pristranska naprej, medtem ko je J2 obratno pristranski. SCR ostane izklopljen v tem stanju, čeprav je uporabljena napetost naprej, kar preprečuje pretok toka, dokler ni zagotovljen sprožilec.

Način prevodnosti naprej (stanje vklopljeno)

Uporaba impulza vrat v prednapetosti vbrizga nosilce, ki stičišče J2 s pristranskostjo naprej, kar omogoča prevodnost. Ko je vklopljen, se SCR zaskoči in nadaljuje tudi po odstranitvi signala vrat, dokler tok ostane nad zadrževalnim tokom.

V-I značilnosti SCR

Značilnost V-I določa, kako se tok naprave odziva na uporabljeno napetost v različnih obratovalnih območjih:

• Območje obratnega blokiranja: Minimalni tokovni tokovi tečejo pod obratno pristranskostjo, dokler ne pride do okvare.

• Območje blokiranja naprej: Napetost naprej se poveča, tok pa ostane nizek, dokler ni dosežena prelomna napetost (VBO).

• Sprednje prevodno območje: Po sprožitvi z vratnim impulzom SCR hitro preide v stanje nizke upornosti ON z majhnim padcem napetosti naprej (1–2V).

Povečanje toka vrat premakne prelomno napetost naprej nižje, kar omogoča zgodnejši vklop. To je uporabno v fazno krmiljenih izmeničnih vezjih.

Preklopne značilnosti SCR

Preklopne značilnosti opisujejo obnašanje SCR med prehodi med stanji OFF in ON:

• Čas vklopa (v tonah): Čas, potreben za popolno preklop SCR iz OFF v ON po impulzu vrat. Sestavljen je iz časa zakasnitve, časa vzpona in časa širjenja. Hitrejši vklop zagotavlja učinkovito preklapljanje v pretvornikih in pretvornikih.

• Čas izklopa (tq): Ko se prevodnost ustavi, SCR potrebuje čas, da ponovno pridobi svojo sposobnost blokiranja naprej zaradi shranjenih nosilcev naboja. Ta zamuda je potrebna v visokofrekvenčnih aplikacijah, zunanja komutacijska vezja pa so potrebna v enosmernih sistemih.

Vrste SCR

SCR so na voljo v različnih konstrukcijskih slogih in razredih zmogljivosti, da ustrezajo zahtevam različnih napetostnih, tokovnih in preklopnih aplikacij. Spodaj so glavne vrste SCR, razložene brez uporabe oblike tabele, kot je zahtevano.

Diskretna plastika SCR

To je majhen SCR z nizko porabo, ki je običajno pakiran v ohišja TO-92, TO-126 ali TO-220. Je ekonomičen in se pogosto uporablja v nizkotokovnih elektronskih vezjih. Ti SCR so idealni za preprosto preklapljanje izmeničnega toka, krmilne sisteme z nizko porabo, zatemnilnike svetlobe in vezja polnilcev baterij.

Plastični modul SCR

Ta tip je zasnovan za ravnanje s srednjim do visokim tokom. Zaprt je v kompaktnem plastičnem modulu, ki zagotavlja električno izolacijo in enostavno montažo. Ti SCR se pogosto uporabljajo v sistemih UPS, industrijskih krmilnih enotah moči, varilnih strojih in krmilnikih hitrosti motorja.

Tiskovni paket SCR

Tiskarski paketi SCR so težke naprave, vgrajene v robustno kovinsko ploščo. Ponujajo odlične toplotne zmogljivosti in visoko tokovno zmogljivost ter ne zahtevajo spajkanja. Namesto tega so pod pritiskom pritrjeni med hladilnike, zaradi česar so primerni za visoko zanesljive aplikacije, kot so industrijski pogoni, vlečni sistemi, HVDC prenos moči in električna omrežja.

Hitro preklapljanje SCR

Hitro preklopni SCR, imenovani tudi SCR pretvornika, so zasnovani za vezja, ki delujejo na višjih frekvencah. Imajo kratek čas izklopa in manjše preklopne izgube v primerjavi s standardnimi SCR. Te naprave se običajno uporabljajo v helikopterjih, DC-DC pretvornikih, visokofrekvenčnih pretvornikih in impulznih napajalnikih.

Vklopne metode SCR

Različni načini za sprožitev SCR v prevodnost vključujejo:

Sprožitev vrat (najpogostejša): Impulz vrat z nizko porabo nadzorovano vklopi SCR. Uporablja se v večini industrijskih aplikacij.

Sprožitev napetosti naprej: Če napetost v smeri naprej preseže prelomno napetost, se SCR vklopi brez impulza vrat, ki se mu na splošno izognemo zaradi obremenitve naprave.

Toplotno sprožitev (nezaželeno): Prekomerna temperatura lahko nenamerno začne prevodnost; Izogibati se je treba nepravilnemu hlajenju.

Svetlobno sprožitev (LASCR): Svetlobno občutljivi SCR uporabljajo fotone za sprožitev prevodnosti v visokonapetostnih izolacijskih aplikacijah.

sproženje dv / dt (nezaželeno): Hitro povečanje napetosti v smeri naprej lahko povzroči nenamerno vklop zaradi kapacitivnosti stika. Vezja za dušitev tega preprečujejo.

Prednosti in omejitve SCR

Prednosti SCR

• Ravnanje z visoko močjo in napetostjo: SCR lahko nadzorujejo velike količine moči, pogosto v območju od sto do tisoč voltov in amperov, zaradi česar so primerni za težke industrijske aplikacije, kot so motorni pogoni, HVDC prenos in pretvorniki moči.

• Visoka učinkovitost in nizke izgube prevodnosti: Ko je SCR vklopljen, vodi z zelo majhnim padcem napetosti (običajno 1–2 volta), kar ima za posledico nizko izgubo energije in visoko učinkovitost delovanja.

• Majhna potreba po toku vrat: Naprava potrebuje le majhen sprožilni tok na terminalu vrat, da se vklopi, kar omogoča preprostim krmilnim vezjem z nizko porabo energije za preklapljanje obremenitev z visoko močjo.

• Robustna konstrukcija in stroškovno učinkovita zasnova: SCR so mehansko robustni, toplotno stabilni in zasnovani tako, da prenesejo visoke prenapetostne tokove. Zaradi njihove preproste notranje strukture so tudi razmeroma poceni v primerjavi z drugimi močnostnimi polprevodniškimi stikali.

• Primerno za nadzor izmenične moči: Ker se SCR naravno izklopijo, ko izmenični tok prečka nič (naravna komutacija), so idealni za aplikacije za nadzor faze izmeničnega toka, kot so zatemnilniki svetlobe, krmilniki grelnikov in regulatorji izmenične napetosti.

Omejitve SCR

• Enosmerna prevodnost: SCR vodi tok samo v smeri naprej. Ne more učinkovito blokirati povratnega toka, razen če se uporablja z dodatnimi komponentami, kot so diode, kar omejuje njegovo uporabo v nekaterih krmilnih vezjih izmeničnega tokokroga.

• Ni mogoče izklopiti s terminalom vrat: Medtem ko se SCR lahko sproži prek vrat, se ne odziva na noben signal vrat za izklop. Tok mora pasti pod zadrževalni tok ali pa je treba v enosmernih tokokrogih uporabiti tehniko prisilne komutacije.

• Zahteva komutacijska vezja v enosmernih aplikacijah: V čistih enosmernih vezjih SCR ne dobi ničelne točke naravnega toka za izklop.

• Omejena hitrost preklopa: SCR so razmeroma počasni v primerjavi s sodobnimi polprevodniškimi stikali, kot so MOSFET-i ali IGBT. Zaradi tega so neprimerni za visokofrekvenčne preklopne aplikacije.

• Občutljiv na visoke dv/dt in prenapetostne pogoje: Hiter dvig napetosti na SCR ali prekomerna prehodna napetost lahko sproži lažen vklop, kar vpliva na zanesljivost. Potrebna so dušilna vezja in ustrezne zaščitne komponente, da se preprečijo napake pri vžigu in okvara naprave.

Uporaba SCR

• Nadzorovani usmerniki (AC v DC pretvorniki) - Uporabljajo se pri polnjenju baterij in spremenljivih DC napajalnih virih.

• Krmilniki izmenične napetosti - Zatemnilniki svetlobe, krmilniki hitrosti ventilatorja in regulatorji grelcev.

• Nadzor hitrosti enosmernega motorja - Uporablja se v enosmernih pogonih s spremenljivo hitrostjo.

• Pretvorniki in pretvorniki - Za pretvorbo enosmernega v izmenični tok.

• Prenapetostna zaščita (vezja lomilca) – Ščiti napajalnike pred napetostnimi sunki.

• Statična stikala / polprevodniški releji – hitro preklapljanje brez mehanske obrabe.

• Regulatorji moči - Uporabljajo se v indukcijskem ogrevanju in industrijskih pečeh.

• Mehki zaganjalniki za motorje - Nadzoruje vnetni tok med zagonom motorja.

• Sistemi za prenos moči – uporabljajo se v sistemih HVDC (visokonapetostni enosmerni tok).

Primerjava SCR in GTO

Tiristor z izklopom vrat (GTO) je še en član družine tiristorjev in se pogosto primerja s SCR.

Testiranje SCR z ohmmetrom

Pred namestitvijo SCR v napajalno vezje je pomembno preveriti, ali je električno zdrav. Okvarjen SCR lahko povzroči kratke stike ali okvaro celotnega sistema. Osnovno testiranje se lahko izvede z uporabo digitalnega ali analognega multimetra skupaj z majhnim enosmernim napajanjem za sprožitev preverjanja.

1 Preskus križišča od vrat do katode

Ti preverjajo, ali se križišče obnaša kot dioda.

• Multimeter nastavite na način testiranja diod

• Priključite pozitivno (+) sondo na vrata (G) in negativno (–) sondo na katodo (K). Normalno branje kaže padec napetosti med 0,5 V in 0,7 V

• Obrnite sonde (+ na K, – na G). Merilnik mora pokazati OL (odprta zanka) ali zelo visok upor

Preskus blokiranja anode-katode

To zagotavlja, da SCR ni notranje kratek.

• Multimeter naj bo v načinu diode ali upora

• Povežite + sondo z anodo (A) in – sondo s katodo (K). SCR mora blokirati tok in pokazati odprto vezje (brez prevodnosti)

• Obrnite sonde (+ na K, – na A). Branje mora biti še vedno odprto vezje

Preskus sprožitve (zapahanja) SCR

To potrjuje, ali se SCR lahko pravilno vklopi in zaskoči.

• Uporabite 6V ali 9V baterijo z uporom 1kΩ v seriji

• Priključite baterijo + na anodo (A) in baterijo - na katodo (K)

• Na kratko povežite vrata (G) z anodo prek upora 100–220Ω. SCR se mora vklopiti in zapahniti, kar omogoča pretok toka tudi po odstranitvi povezave vrat.

• Če ga želite izklopiti, odklopite napajanje - SCR se bo odklenil

Zaključek

Silicijev krmiljeni usmernik ostaja ključni sestavni del sistemov za nadzor moči zaradi svoje učinkovitosti, visoke zanesljivosti in sposobnosti obvladovanja velikih električnih obremenitev. Od regulacije izmenične napetosti do krmiljenja enosmernih motorjev in industrijskih sistemov za pretvorbo, SCR še naprej igrajo ključno vlogo v elektrotehniki. Trdno razumevanje osnov SCR pomaga pri oblikovanju varnih in učinkovitih močnostnih elektronskih vezij.

Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]

Kakšna je razlika med SCR in TRIAC?

TRIAC lahko prevaja tok v obe smeri in se uporablja v aplikacijah za nadzor izmeničnega toka, kot so zatemnilniki in regulatorji ventilatorjev. SCR vodi tok samo v eno smer in se uporablja predvsem za nadzor ali rektifikacijo enosmernega toka.

Zakaj SCR potrebuje komutacijsko vezje?

V enosmernih tokokrogih se SCR ne more izklopiti samo s priključkom vrat. Komutacijsko vezje prisili tok, da pade pod zadrževalni tok, kar pomaga SCR varno izklopiti.

Kaj povzroči neuspeh SCR?

Okvara SCR je običajno posledica prenapetosti, visokega prenapetostnega toka, nepravilnega odvajanja toplote ali napačnega preklapljanja, ki ga sproži dv / dt. Uporaba dušilnih vezij in hladilnikov pomaga preprečiti okvaro.

Ali lahko SCR nadzoruje izmenični tok?

Da, SCR lahko nadzorujejo napajanje izmeničnega toka z nadzorom faznega kota. Z zakasnitvijo kota vžiga signala vrat med vsakim ciklom izmeničnega toka se lahko prilagodi izhodna napetost in moč, ki se oddaja obremenitvi.

Kakšen je zadrževalni tok v SCR?

Zadrževalni tok je najmanjši tok, ki je potreben za ohranjanje SCR v stanju ON. Če tok pade pod to raven, se SCR samodejno izklopi, tudi če je bil prej sprožen.