Кремнієвий керований випрямляч

Кремнієвий керований випрямляч (SCR)

Кремнієвий керований випрямляч (SCR), також відомий як тиристор, є високопотужним електричним компонентом. Він має такі переваги, як малий розмір, висока ефективність і тривалий термін служби. У системах автоматичного керування його можна використовувати як потужний драйвер для керування потужними пристроями з елементами керування малою потужністю. Він широко використовується в системах керування швидкістю двигунів змінного та постійного струму, системах регулювання потужності та сервосистемах.

Існує два типи тиристорів: однонаправлений тиристор і двонаправлений тиристор. Двонаправлений тиристор, також відомий як триполюсний двонаправлений тиристор, скорочено TRIAC. Двонаправлений тиристор структурно еквівалентний двом однонаправленим тиристорам, з’єднаним у зворотному напрямку, і цей тип тиристора має функцію двонаправленої провідності. Його стан увімкнення/вимкнення визначається полюсом керування G. Додавання позитивного (або негативного) імпульсу до полюса керування G може змусити його проводити в прямому (або зворотному) напрямку. Перевага цього пристрою полягає в тому, що схема керування проста і немає проблеми протидії зворотній напрузі, тому він особливо підходить для використання як безконтактний вимикач змінного струму.

1 Структура SCR

Ми використовуємо односпрямовані тиристори, також відомі як звичайні тиристори. Вони складаються з чотирьох шарів напівпровідникового матеріалу з трьома PN-переходами та трьома зовнішніми електродами [Малюнок 2 (a)]: електрод, що виходить із першого шару напівпровідника P-типу, називається анодом А, електрод, що виходить із третій шар напівпровідника P-типу називається керуючим електродом G, а електрод, що виходить із четвертого шару напівпровідника N-типу, називається катодом K. З електронного символу тиристора [рис. 2 (b)], ми бачимо, що це односпрямований провідний пристрій, як діод. Ключовим моментом є додавання керуючого електрода G, який робить його робочі характеристики повністю відмінними від діода.

Чотиришаровий триконтактний пристрій P1N1P2N2, заснований на монокристалі кремнію як базовому матеріалі, розпочався в 1957 році. Завдяки своїм характеристикам, подібним до вакуумних тиристорів, його зазвичай називають кремнієвими тиристорами, скорочено тиристори T. Крім того, оскільки тиристори спочатку використовувалися в статичному випрямленні, вони також відомі як кремнієві керовані випрямні елементи, скорочено тиристорні SCR.

З точки зору продуктивності, кремнієвий керований випрямляч не тільки має одну провідність, але також має більш цінну керованість, ніж компоненти кремнієвого випрямляча (широко відомі як"мертвий кремній"). Він має лише два стани: увімкнено та вимкнено.

Тиристор може керувати електромеханічною апаратурою великої потужності з струмом міліамперного рівня. Якщо ця потужність перевищена, середній струм, який пропускається, зменшиться через значне збільшення втрат на комутацію компонентів. У цей час номінальний струм слід зменшити для використання.

Існує багато переваг тиристора, наприклад, керування високою потужністю з низькою потужністю, а коефіцієнт посилення потужності може досягати кількох сотень тисяч разів; Надзвичайно швидка відповідь, вмикання та вимикання протягом мікросекунд; Без контактної роботи, без іскор, без шуму; Висока ефективність, низька вартість і т.д.

Тиристори в основному класифікуються за зовнішнім виглядом як у формі болта, у формі плоскої пластини та у формі плоского дна.

Будова компонентів тиристора

Незалежно від зовнішнього вигляду тиристора, їх серцевина є чотиришаровою структурою P1N1P2N2, що складається з кремнію P-типу та кремнію N-типу. Див. малюнок 1. Він має три PN-переходи (J1, J2, J3), з анодом A, введеним із шару P1 структури J1, катодом K, введеним із шару N2, і керуючим електродом G, введеним із шару P2. Таким чином, це чотиришаровий напівпровідниковий пристрій з трьома терміналами.

2 принцип дії

Конструктивні елементи

Тиристор являє собою чотиришаровий трививідний конструктивний елемент P1N1P2N2 з трьома PN-переходами. Аналізуючи принцип, можна вважати, що він складається з PNP-транзистора та NPN-транзистора, а його еквівалентна схема показана на малюнку праворуч. Двонаправлений тиристор: Двонаправлений тиристор - це кремнієвий керований випрямний пристрій, також відомий як TRIAC. Цей пристрій може досягати безконтактного контролю живлення змінного струму в ланцюгах, контролюючи великі струми малими струмами. Він має такі переваги, як відсутність іскор, швидка дія, тривалий термін служби, висока надійність і спрощена структура схеми. За зовнішнім виглядом двонаправлений тиристор дуже схожий на звичайний тиристор, з трьома електродами. Однак, за винятком одного електрода G, який все ще називається керуючим електродом, інші два електроди зазвичай більше не називаються анодом і катодом, а разом називаються основними електродами Tl і T2. Його символ також відрізняється від символу звичайних тиристорів, який малюється зворотним з’єднанням двох тиристорів разом, як показано на малюнку 2. Його модель, як правило, представлена"3CTS"або"КС"у Китаї; Іноземні дані також можуть бути представлені «TRIAC». Технічні характеристики, моделі, зовнішній вигляд і розташування електродних контактів двонаправленого тиристора відрізняються залежно від виробника, але більшість його електродних контактів розташовані зліва направо в порядку T1, T2 і G (якщо спостерігати, електродні контакти є обличчям донизу та обличчям до сторони, позначеної символами). Зовнішній вигляд і розташування контактів електрода найпоширенішого двонаправленого тиристора з пластиковою капсульованою структурою на ринку показано на малюнку 1.

3 Характеристики SCR

Щоб інтуїтивно зрозуміти робочі характеристики тиристорів, розглянемо цю навчальну дошку (рис. 3). Тиристор VS з'єднаний послідовно з маленькою лампочкою EL і підключений до джерела постійного струму через перемикач S. Зауважте, що анод A підключений до позитивного полюса джерела живлення, катод K підключений до негативного полюса джерела живлення. живлення, а керуючий електрод G підключається до позитивного полюса джерела живлення 1,5 В постійного струму через кнопковий перемикач SB (тут використовуються тиристори типу КП1, а якщо тиристори типу КП5, то їх слід підключати до позитивного полюса джерело живлення 3 В постійного струму). Спосіб з'єднання між тиристором і джерелом живлення називається прямим з'єднанням, що означає, що позитивна напруга прикладається як до анода, так і до полюсів керування тиристора. Увімкніть перемикач живлення S, але маленька лампочка не горить, що свідчить про те, що тиристор не проводить; Знову натисніть кнопковий перемикач SB, щоб подати напругу запуску на полюс керування. Маленька лампочка загоряється, вказуючи на те, що тиристор проводить. Яке натхнення дав нам цей демонстраційний експеримент?

Цей експеримент говорить нам, що для того, щоб зробити тиристор провідним, потрібно застосувати пряму напругу між його анодом A і катодом K, а інший — ввести пряму тригерну напругу між його керуючим електродом G і катодом K. Після того, як тиристор повернуть увімкніть, відпустіть кнопковий перемикач, зніміть напругу запуску та зберігайте стан провідності.

4 Характеристики SCR

На дотик. Однак, якщо на анод або керуючий електрод подати зворотну напругу, тиристор не може проводити. Функція полюса керування полягає в тому, щоб увімкнути тиристор шляхом подачі прямого тригерного імпульсу, але його не можна вимкнути. Отже, яким способом можна відключити провідний тиристор? Вимкнувши провідний тиристор, джерело живлення анода (перемикач S на малюнку 3) можна відключити або анодний струм можна зменшити до мінімального значення, необхідного для підтримки безперервності (відоме як струм підтримки). Якщо між анодом і катодом тиристора є напруга змінного струму або пульсуюча напруга постійного струму, тиристор автоматично вимкнеться, коли напруга перетне нуль.

Тип програми

На малюнку 4 показана характеристична крива двонаправленого тиристора.

Як показано на малюнку, характеристична крива двонаправленого тиристора складається з кривих у першому та третьому квадрантах. Крива в першому квадранті вказує на те, що коли напруга, прикладена до головного електрода, змушує Tc мати позитивну полярність до T1, це називається прямою напругою та позначається символом U21. Коли ця напруга поступово зростає до напруги точки повороту UBO, тиристор зліва на малюнку 3 (b) запускає провідність, і струм увімкненого стану в цей час дорівнює I21, що протікає від T2 до Tl. З малюнка видно, що чим більше струм спрацьовування, тим менше напруга повороту. Ця ситуація узгоджується із законом провідності запуску звичайного тиристора. Коли напруга, прикладена до головного електрода, змушує Tl мати позитивну полярність щодо T2, це називається зворотною напругою та позначається символом U12. Коли ця напруга досягає значення напруги повороту, тиристор на правій стороні малюнка 3 (b) запускає провідність, і струм у цей час дорівнює I12 з напрямком від T1 до T2. На цьому етапі характерна крива двонаправленого тиристора показана в третьому квадранті на малюнку 4.

Чотири методи запуску

Завдяки тому, що на головному електроді двонаправленого тиристора він може запускатися і проводитися незалежно від того, чи прикладена пряма чи зворотна напруга, а також від того, чи є тригерний сигнал прямим чи зворотним, він має наступні чотири методи запуску: ( 1) Коли напруга, прикладена основним електродом T2 до Tl, є прямою напругою, напруга, прикладена керуючим електродом G до першого електрода Tl, також є прямим тригерним сигналом (Малюнок 5a). Після того, як двонаправлений тиристор запускає провідність, напрямок струму I2l тече від T2 до T1. З характеристичної кривої видно, що закон провідності двонаправленого тиристорного тригера виконується відповідно до характеристик другого квадранта, і оскільки тригерний сигнал є в прямому напрямку, цей тригер називається"перший квадрант переднього тригера"або метод I+trigger. (2) Якщо пряма напруга все ще прикладається до головного електрода T2, а тригерний сигнал змінюється на зворотний сигнал (Малюнок 5b), то після того, як двонаправлений тиристор запускає провідність, напрямок струму ввімкненого стану все ще буде від T2 до Т1. Ми називаємо цей тригер"негативний тригер першого квадранта"або метод I-trigger. (3) Два основних електроди прикладаються із зворотною напругою U12 (Малюнок 5c), і вводиться сигнал прямого запуску. Після увімкнення двонаправленого тиристора струм увімкненого стану протікає від Т1 до Т2. Двонаправлений тиристор працює відповідно до характеристики третього квадранта, тому цей тригер називається методом III+тригера. (4) Два головних електроди все ще подають зворотну напругу U12, а вхід є сигналом зворотного тригера (Малюнок 5d). Після увімкнення двонаправленого тиристора струм увімкненого стану все ще тече від T1 до T2. Цей тригер називається III дотиком

(4) Два головних електроди все ще подають зворотну напругу U12, а вхід є зворотним тригерним сигналом (Малюнок 5d). Після увімкнення двонаправленого тиристора струм увімкненого стану все ще тече від T1 до T2. Цей тригер називається методом III тригера. Незважаючи на те, що двонаправлений тиристор має чотири вищезазначені методи запуску, напруга запуску та струм, необхідні для запуску негативного сигналу, є відносно невеликими. Робота відносно надійна, тому в практичному застосуванні широко використовуються методи негативного запуску.

5 Мета

Основне використання звичайних тиристорів - це регульоване випрямлення. Звична схема діодного випрямляча відноситься до схеми некерованого випрямляча. Якщо діод замінити тиристором, можна сформувати керовану схему випрямляча. Взявши як приклад найпростішу однофазну півхвильову керовану схему випрямляча, під час позитивного напівперіоду синусоїдальної напруги змінного струму U2, якщо полюс керування VS не вводить тригерний імпульс Ug, VS все ще не може проводити. Тільки коли U2 знаходиться в позитивному напівперіоді і імпульс запуску Ug подається на полюс керування, тиристор запускається для проведення. Намалюйте його форми (c) і (d), і лише коли прийде імпульс запуску Ug, на навантаженні RL з’явиться напруга UL. Ug приходить рано, а час провідності тиристора ранній; Уг прибув із запізненням, а час проведення тиристора був пізніше. Змінюючи час надходження імпульсу запуску Ug на полюс керування, можна регулювати середню вихідну напругу UL на навантаженні. В електротехніці напівперіод змінного струму часто встановлюється на 180 °, відомий як електричний кут. Таким чином, електричний кут, який відчувається під час кожного позитивного напівперіоду U2 від нуля до моменту надходження тригерного імпульсу, називається керуючим кутом α； Електричний кут, під яким тиристор проводить провідність протягом кожного позитивного напівперіоду, називається кутом провідності θ 。 Очевидно, що α і θ обидва використовуються для представлення провідності або діапазону блокування тиристорів протягом півперіоду стійкої прямої напруги. Змінюючи кут керування α або кут провідності θ， Змінюючи середнє значення UL імпульсної напруги постійного струму на навантаженні, досягається контрольоване випрямлення.

1: Двонаправлений кремнієвий випрямляч з малою потужністю в пластиковій капсулі зазвичай використовується як акустооптична система освітлення. Номінальний струм: IA менше 2A.

2: великий; Пластмасові та металеві тиристори середньої потужності зазвичай використовуються як схеми регулювання напруги силового типу. Як регульована вихідна напруга джерела постійного струму тощо.

3: Висока потужність високочастотного тиристора зазвичай використовується в промисловості; Високочастотна плавильна піч тощо