Ανορθωτής ελεγχόμενου πυριτίου

Ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου (SCR)

Ο ανορθωτής ελεγχόμενου πυριτίου (SCR), γνωστός και ως θυρίστορ, είναι ένα ηλεκτρικό εξάρτημα υψηλής ισχύος. Έχει τα πλεονεκτήματα του μικρού μεγέθους, της υψηλής απόδοσης και της μεγάλης διάρκειας ζωής. Στα συστήματα αυτόματου ελέγχου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως οδηγός υψηλής ισχύος για τον έλεγχο συσκευών υψηλής ισχύος με χειριστήρια χαμηλής ισχύος. Έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε συστήματα ελέγχου ταχύτητας κινητήρα ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝ και DC, συστήματα ρύθμισης ισχύος και σερβο συστήματα.

Υπάρχουν δύο τύποι θυρίστορ: μονοκατευθυντικό θυρίστορ και αμφίδρομο θυρίστορ. Το αμφίδρομο θυρίστορ, γνωστό και ως αμφίδρομο θυρίστορ τριών τερματικών, με συντομογραφία TRIAC. Το αμφίδρομο θυρίστορ είναι δομικά ισοδύναμο με δύο μονοκατευθυντικά θυρίστορ συνδεδεμένα αντίστροφα και αυτός ο τύπος θυρίστορ έχει λειτουργία αμφίδρομης αγωγιμότητας. Η κατάσταση ενεργοποίησης/απενεργοποίησης καθορίζεται από τον πόλο ελέγχου G. Προσθέτοντας έναν θετικό (ή αρνητικό) παλμό στον πόλο ελέγχου G μπορεί να τον κάνει να μεταφέρει προς τα εμπρός (ή προς τα πίσω). Το πλεονέκτημα αυτής της συσκευής είναι ότι το κύκλωμα ελέγχου είναι απλό και δεν υπάρχει πρόβλημα αντίστροφης τάσης, επομένως είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για χρήση ως διακόπτης ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝ χωρίς επαφή.

1 Δομή SCR

Χρησιμοποιούμε μονοκατευθυντικά θυρίστορ, γνωστά και ως συνηθισμένα θυρίστορ. Αποτελούνται από τέσσερα στρώματα ημιαγωγού υλικού, με τρεις συνδέσεις ΠΝ και τρία εξωτερικά ηλεκτρόδια [Εικόνα 2 (α)]: το ηλεκτρόδιο που βγαίνει από το πρώτο στρώμα του ημιαγωγού τύπου P ονομάζεται άνοδος Α, το ηλεκτρόδιο που οδηγείται έξω από το Το τρίτο στρώμα του ημιαγωγού τύπου P ονομάζεται ηλεκτρόδιο ελέγχου G, και το ηλεκτρόδιο που οδηγεί έξω από το τέταρτο στρώμα του ημιαγωγού τύπου Ν ονομάζεται κάθοδος Κ. Από το Ηλεκτρονικό σύμβολο του θυρίστορ [Εικ. 2 (β)], μπορούμε να δούμε ότι είναι μια αγώγιμη συσκευή μονής κατεύθυνσης όπως η δίοδος. Το κλειδί είναι να προσθέσετε ένα ηλεκτρόδιο ελέγχου G, το οποίο το κάνει να έχει εντελώς διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας από τη δίοδο.

Η τερματική συσκευή τεσσάρων στρώσεων P1N1P2N2, με βάση το μονοκρύσταλλο πυριτίου ως βασικό υλικό, ξεκίνησε το 1957. Λόγω των χαρακτηριστικών της παρόμοια με τα θυρίστορ κενού, αναφέρεται διεθνώς ως θυρίστορ πυριτίου, συντομογραφία ως θυρίστορ Τ. Επιπλέον, επειδή τα θυρίστορ Χρησιμοποιήθηκαν αρχικά στη στατική ανόρθωση, είναι επίσης γνωστά ως ελεγχόμενα ανορθωτικά στοιχεία πυριτίου, που συντομεύονται ως θυρίστορ SCR.

Όσον αφορά την απόδοση, ο ανορθωτής ελεγχόμενου πυριτίου όχι μόνο έχει μοναδική αγωγιμότητα, αλλά έχει επίσης πιο πολύτιμη δυνατότητα ελέγχου από τα εξαρτήματα ανορθωτή πυριτίου (κοινώς γνωστά ως"νεκρό πυρίτιο"). Έχει μόνο δύο καταστάσεις: ενεργοποίηση και απενεργοποίηση.

Το Thyristor μπορεί να ελέγξει τον ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό υψηλής ισχύος με ρεύμα σε επίπεδο μιλιαμπέρ. Εάν γίνει υπέρβαση αυτής της ισχύος, το μέσο ρεύμα που επιτρέπεται να περάσει θα μειωθεί λόγω σημαντικής αύξησης της απώλειας μεταγωγής εξαρτημάτων. Αυτή τη στιγμή, το ονομαστικό ρεύμα θα πρέπει να υποβαθμιστεί για χρήση.

Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα του θυρίστορ, όπως ο έλεγχος υψηλής ισχύος με χαμηλή ισχύ και ο συντελεστής ενίσχυσης ισχύος μπορεί να φτάσει αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες φορές. Εξαιρετικά γρήγορη απόκριση, ενεργοποίηση και απενεργοποίηση μέσα σε μικροδευτερόλεπτα. Χωρίς λειτουργία επαφής, χωρίς σπινθήρες, χωρίς θόρυβο. Υψηλή απόδοση, χαμηλό κόστος κ.λπ.

Τα θυρίστορ ταξινομούνται κυρίως ως προς την εμφάνιση σε σχήμα μπουλονιού, σχήματος επίπεδης πλάκας και επίπεδου πυθμένα.

Δομή εξαρτημάτων θυρίστορ

Ανεξάρτητα από την εμφάνιση του θυρίστορ, ο πυρήνας τους είναι μια δομή τεσσάρων στρωμάτων P1N1P2N2 που αποτελείται από πυρίτιο τύπου P και πυρίτιο τύπου N. Βλέπε Σχήμα 1. Έχει τρεις συνδέσεις ΠΝ (J1, J2, J3), με την άνοδο Α που εισάγεται από το στρώμα P1 της δομής J1, την κάθοδο Κ που εισάγεται από το στρώμα Ν2 και το ηλεκτρόδιο ελέγχου G που εισάγεται από το στρώμα P2. Επομένως, είναι μια συσκευή ημιαγωγών τεσσάρων στρωμάτων, τριών τερματικών.

2 επιχειρησιακή αρχή

Δομικά στοιχεία

Το Thyristor είναι ένα P1N1P2N2 τεσσάρων στρωμάτων τριών τερματικών δομικών στοιχείων με τρεις συνδέσεις ΠΝ. Κατά την ανάλυση της αρχής, μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από ένα τρανζίστορ PNP και ένα τρανζίστορ NPN και το ισοδύναμο διάγραμμά του φαίνεται στο δεξιό σχήμα. Αμφίδρομο θυρίστορ: Το αμφίδρομο θυρίστορ είναι μια συσκευή ανορθωτή ελεγχόμενη από πυρίτιο, γνωστή και ως TRIAC. Αυτή η συσκευή μπορεί να επιτύχει ανέπαφο έλεγχο της ισχύος ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝ σε κυκλώματα, ελέγχοντας μεγάλα ρεύματα με μικρά ρεύματα. Έχει τα πλεονεκτήματα της απουσίας σπινθήρων, της γρήγορης δράσης, της μεγάλης διάρκειας ζωής, της υψηλής αξιοπιστίας και της απλοποιημένης δομής του κυκλώματος. Από την εμφάνιση, το αμφίδρομο θυρίστορ μοιάζει πολύ με το συνηθισμένο θυρίστορ, με τρία ηλεκτρόδια. Ωστόσο, εκτός από ένα ηλεκτρόδιο G, το οποίο εξακολουθεί να ονομάζεται ηλεκτρόδιο ελέγχου, τα άλλα δύο ηλεκτρόδια συνήθως δεν ονομάζονται πλέον άνοδος και κάθοδος, αλλά συλλογικά αναφέρονται ως τα κύρια ηλεκτρόδια Tl και T2. Το σύμβολό του είναι επίσης διαφορετικό από αυτό των συνηθισμένων θυρίστορ, το οποίο σχεδιάζεται αντιστρέφοντας τη σύνδεση δύο θυρίστορ μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Το μοντέλο του γενικά αντιπροσωπεύεται από"3CTS"ή"KS"στην Κίνα; Τα ξένα δεδομένα μπορούν επίσης να αντιπροσωπεύονται από το «TRIAC». Οι προδιαγραφές, τα μοντέλα, η εμφάνιση και η διάταξη των ακίδων ηλεκτροδίων του αμφίδρομου θυρίστορ ποικίλλουν ανάλογα με τον κατασκευαστή, αλλά οι περισσότεροι από τους ακροδέκτες του ηλεκτροδίου είναι διατεταγμένοι από αριστερά προς τα δεξιά με τη σειρά T1, T2 και G (όταν παρατηρούνται, οι ακίδες ηλεκτροδίων είναι στραμμένο προς τα κάτω και στραμμένο προς την πλευρά που σημειώνεται με χαρακτήρες). Η εμφάνιση και η διάταξη των πείρων ηλεκτροδίων του πιο συνηθισμένου θυρίστορ αμφίδρομης κατασκευής με πλαστική κάψουλα στην αγορά παρουσιάζονται στο Σχήμα 1.

3 Χαρακτηριστικά SCR

Για να κατανοήσουμε διαισθητικά τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των θυρίστορ, ας ρίξουμε μια ματιά σε αυτόν τον πίνακα διδασκαλίας (Εικόνα 3). Το θυρίστορ VS συνδέεται σε σειρά με τον μικρό λαμπτήρα ΕΛ και συνδέεται με την παροχή ρεύματος συνεχούς ρεύματος μέσω του διακόπτη S. Σημειώστε ότι η άνοδος Α συνδέεται στον θετικό πόλο του τροφοδοτικού, η κάθοδος Κ συνδέεται στον αρνητικό πόλο της ισχύος τροφοδοσίας και το ηλεκτρόδιο ελέγχου G συνδέεται στον θετικό πόλο του τροφοδοτικού 1,5 V DC μέσω του διακόπτη κουμπιού SB (εδώ χρησιμοποιούνται θυρίστορ τύπου ΚΠ1 και εάν χρησιμοποιούνται θυρίστορ τύπου ΚΠ5, θα πρέπει να συνδεθούν στον θετικό πόλο του Τροφοδοτικό 3V DC). Η μέθοδος σύνδεσης μεταξύ του θυρίστορ και του τροφοδοτικού ονομάζεται μπροστινή σύνδεση, που σημαίνει ότι η θετική τάση εφαρμόζεται τόσο στον πόλο ανόδου όσο και στον πόλο ελέγχου του θυρίστορ. Ενεργοποιήστε το διακόπτη λειτουργίας S, αλλά ο μικρός λαμπτήρας δεν ανάβει, υποδεικνύοντας ότι το θυρίστορ δεν αγώγει. Πατήστε ξανά το διακόπτη SB για να εισαγάγετε μια τάση ενεργοποίησης στον πόλο ελέγχου. Ο μικρός λαμπτήρας ανάβει, υποδεικνύοντας ότι το θυρίστορ είναι αγώγιμο. Τι έμπνευση μας έδωσε αυτό το πείραμα επίδειξης;

Αυτό το πείραμα μας λέει ότι για να κάνουμε το θυρίστορ αγώγιμο, το ένα είναι να εφαρμόσουμε μια τάση προς τα εμπρός μεταξύ της ανόδου Α και της καθόδου Κ και το άλλο είναι να εισαγάγουμε μια τάση προς τα εμπρός σκανδάλης μεταξύ του ηλεκτροδίου ελέγχου G και της καθόδου Κ. Αφού περιστραφεί το θυρίστορ ενεργοποιήστε, αφήστε το διακόπτη του κουμπιού, αφαιρέστε την τάση ενεργοποίησης και διατηρήστε την κατάσταση αγωγιμότητας.

4 Χαρακτηριστικά του SCR

Με ένα άγγιγμα. Ωστόσο, εάν εφαρμοστεί αντίστροφη τάση στην άνοδο ή στο ηλεκτρόδιο ελέγχου, το θυρίστορ δεν μπορεί να μεταφέρει. Η λειτουργία του πόλου ελέγχου είναι να ενεργοποιεί το θυρίστορ εφαρμόζοντας έναν παλμό ενεργοποίησης προς τα εμπρός, αλλά δεν μπορεί να απενεργοποιηθεί. Λοιπόν, ποια μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απενεργοποίηση του αγώγιμου θυρίστορ; Με την απενεργοποίηση του αγώγιμου θυρίστορ, η τροφοδοσία ανόδου (διακόπτης S στο Σχήμα 3) μπορεί να αποσυνδεθεί ή το ρεύμα ανόδου μπορεί να μειωθεί στην ελάχιστη τιμή που απαιτείται για τη διατήρηση της συνέχειας (αναφέρεται ως ρεύμα συντήρησης). Εάν υπάρχει τάση εναλλασσόμενου ρεύματος ή παλμική τάση συνεχούς ρεύματος μεταξύ της ανόδου και της καθόδου του θυρίστορ, το θυρίστορ θα απενεργοποιηθεί αυτόματα όταν η τάση περάσει το μηδέν.

Τύπος αίτησης

Το σχήμα 4 δείχνει τη χαρακτηριστική καμπύλη αμφίδρομου θυρίστορ.

Όπως φαίνεται στο σχήμα, η χαρακτηριστική καμπύλη του αμφίδρομου θυρίστορ αποτελείται από καμπύλες εντός του πρώτου και του τρίτου τεταρτημορίου. Η καμπύλη στο πρώτο τεταρτημόριο δείχνει ότι όταν η τάση που εφαρμόζεται στο κύριο ηλεκτρόδιο αναγκάζει το Tc να έχει θετική πολικότητα προς το T1, ονομάζεται μπροστινή τάση και αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο U21. Όταν αυτή η τάση αυξάνεται σταδιακά στην τάση του σημείου καμπής UBO, το θυρίστορ στην αριστερή πλευρά του Σχήματος 3 (β) ενεργοποιεί την αγωγιμότητα και το ρεύμα κατάστασης ενεργοποίησης αυτή τη στιγμή είναι I21, που ρέει από T2 σε Tl. Από το σχήμα, φαίνεται ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα ενεργοποίησης, τόσο χαμηλότερη είναι η τάση στροφής. Αυτή η κατάσταση είναι σύμφωνη με τον νόμο αγωγιμότητας ενεργοποίησης του συνηθισμένου θυρίστορ. Όταν η τάση που εφαρμόζεται στο κύριο ηλεκτρόδιο κάνει το Tl να έχει θετική πολικότητα προς το T2, ονομάζεται αντίστροφη τάση και αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο U12. Όταν αυτή η τάση φτάσει την τιμή της τάσης του σημείου καμπής, το θυρίστορ στη δεξιά πλευρά του Σχήματος 3 (β) ενεργοποιεί την αγωγιμότητα και το ρεύμα αυτή τη στιγμή είναι I12, με κατεύθυνση από T1 έως T2. Σε αυτό το σημείο, η χαρακτηριστική καμπύλη του αμφίδρομου θυρίστορ φαίνεται στο τρίτο τεταρτημόριο του Σχήματος 4.

Τέσσερις μέθοδοι ενεργοποίησης

Λόγω του γεγονότος ότι στο κύριο ηλεκτρόδιο του αμφίδρομου θυρίστορ, μπορεί να ενεργοποιηθεί και να διεξαχθεί ανεξάρτητα από το εάν εφαρμόζεται τάση προς τα εμπρός ή προς τα πίσω και εάν το σήμα ενεργοποίησης είναι προς τα εμπρός ή προς τα πίσω, έχει τις ακόλουθες τέσσερις μεθόδους ενεργοποίησης: 1) Όταν η τάση που εφαρμόζεται από το κύριο ηλεκτρόδιο T2 στο Tl είναι μια τάση προς τα εμπρός, η τάση που εφαρμόζεται από το ηλεκτρόδιο ελέγχου G στο πρώτο ηλεκτρόδιο Tl είναι επίσης ένα σήμα ενεργοποίησης προς τα εμπρός (Εικόνα 5a). Αφού το αμφίδρομο θυρίστορ ενεργοποιήσει την αγωγιμότητα, η κατεύθυνση του ρεύματος I2l ρέει από το T2 στο T1. Από τη χαρακτηριστική καμπύλη, μπορεί να φανεί ότι ο νόμος αγωγιμότητας της σκανδάλης αμφίδρομου θυρίστορ εκτελείται σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά του δεύτερου τεταρτημορίου, και επειδή το σήμα της σκανδάλης είναι προς την εμπρός κατεύθυνση, αυτή η σκανδάλη ονομάζεται"πρώτο τεταρτημόριο μπροστινή σκανδάλη"ή τη μέθοδο I+δώσει το έναυσμα για. (2) Εάν η τάση προς τα εμπρός εξακολουθεί να εφαρμόζεται στο κύριο ηλεκτρόδιο Τ2 και το σήμα της σκανδάλης αλλάξει σε αντίστροφο σήμα (Εικόνα 5β), τότε αφού το αμφίδρομο θυρίστορ ενεργοποιήσει την αγωγιμότητα, η κατεύθυνση του ρεύματος κατάστασης ενεργοποίησης εξακολουθεί να είναι από Τ2 σε Τ1. Ονομάζουμε αυτό το έναυσμα το"αρνητικό έναυσμα πρώτου τεταρτημορίου"ή τη μέθοδο I-δώσει το έναυσμα για. (3) Εφαρμόζονται δύο κύρια ηλεκτρόδια με αντίστροφη τάση U12 (Εικόνα 5γ) και εισάγεται ένα σήμα ενεργοποίησης προς τα εμπρός. Αφού ενεργοποιηθεί το αμφίδρομο θυρίστορ, το ρεύμα κατάστασης ενεργοποίησης ρέει από το T1 στο T2. Το αμφίδρομο θυρίστορ λειτουργεί σύμφωνα με την χαρακτηριστική καμπύλη τρίτου τεταρτημορίου, επομένως αυτή η σκανδάλη ονομάζεται μέθοδος III+ δώσει το έναυσμα για. (4) Τα δύο κύρια ηλεκτρόδια εξακολουθούν να εφαρμόζουν αντίστροφη τάση U12 και η είσοδος είναι ένα σήμα αντίστροφης ενεργοποίησης (Εικόνα 5δ). Μετά την ενεργοποίηση του αμφίδρομου θυρίστορ, το ρεύμα κατάστασης ενεργοποίησης εξακολουθεί να ρέει από το T1 στο T2. Αυτή η σκανδάλη ονομάζεται III αφή

(4) Τα δύο κύρια ηλεκτρόδια εξακολουθούν να εφαρμόζουν αντίστροφη τάση U12 και η είσοδος είναι ένα σήμα αντίστροφης ενεργοποίησης (Εικόνα 5δ). Μετά την ενεργοποίηση του αμφίδρομου θυρίστορ, το ρεύμα κατάστασης ενεργοποίησης εξακολουθεί να ρέει από το T1 στο T2. Αυτή η σκανδάλη ονομάζεται μέθοδος ενεργοποίησης III. Αν και το αμφίδρομο θυρίστορ έχει τις παραπάνω τέσσερις μεθόδους ενεργοποίησης, η τάση και το ρεύμα ενεργοποίησης που απαιτούνται για την ενεργοποίηση αρνητικού σήματος είναι σχετικά μικρά. Η εργασία είναι σχετικά αξιόπιστη, επομένως οι μέθοδοι αρνητικής ενεργοποίησης χρησιμοποιούνται ευρέως στην πρακτική χρήση.

5 Σκοπός

Η πιο βασική χρήση των συνηθισμένων θυρίστορ είναι η ελεγχόμενη ανόρθωση. Το γνωστό κύκλωμα ανορθωτή διόδου ανήκει σε ένα μη ελεγχόμενο κύκλωμα ανορθωτή. Εάν η δίοδος αντικατασταθεί με θυρίστορ, μπορεί να δημιουργηθεί ένα ελεγχόμενο κύκλωμα ανορθωτή. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το απλούστερο μονοφασικό κύκλωμα ελεγχόμενου ανορθωτή ημικύματος, κατά τη διάρκεια του θετικού μισού κύκλου της ημιτονοειδούς τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος U2, εάν ο πόλος ελέγχου του VS δεν εισάγει τον παλμό σκανδάλης Ug, το VS εξακολουθεί να μην μπορεί να μεταφέρει. Μόνο όταν το U2 βρίσκεται στο θετικό μισό κύκλο και ο παλμός σκανδάλης Ug εφαρμόζεται στον πόλο ελέγχου, το θυρίστορ ενεργοποιείται για να αγωγιμότητα. Σχεδιάστε τις κυματομορφές του (c) και (d), και μόνο όταν φτάσει ο παλμός σκανδάλης Ug, θα υπάρχει έξοδος τάσης UL στο φορτίο RL. Το Ug φτάνει νωρίς και ο χρόνος αγωγιμότητας του θυρίστορ είναι νωρίς. Το Ug έφτασε αργά και ο χρόνος αγωγιμότητας του θυρίστορ ήταν αργότερα. Αλλάζοντας την ώρα που ο παλμός σκανδάλης Ug φτάνει στον πόλο ελέγχου, μπορεί να ρυθμιστεί η μέση τάση εξόδου UL στο φορτίο. Στην ηλεκτρική τεχνολογία, ο μισός κύκλος του εναλλασσόμενου ρεύματος τίθεται συχνά στις 180 °, γνωστός ως ηλεκτρική γωνία. Με αυτόν τον τρόπο, η ηλεκτρική γωνία που παρουσιάζεται κατά τη διάρκεια κάθε θετικού μισού κύκλου του U2 από το μηδέν έως τη στιγμή που φτάνει ο παλμός σκανδάλης ονομάζεται γωνία ελέγχου α； Η ηλεκτρική γωνία στην οποία το θυρίστορ άγει σε κάθε θετικό μισό κύκλο ονομάζεται γωνία αγωγιμότητας θ. 。 Προφανώς, τα α και θ χρησιμοποιούνται και τα δύο για να αναπαραστήσουν το εύρος αγωγιμότητας ή μπλοκαρίσματος των θυρίστορ κατά τη διάρκεια μισού κύκλου αντέχουσας προς τα εμπρός τάσης. Με την αλλαγή της γωνίας ελέγχου α Ή της γωνίας αγωγιμότητας θ， Με την αλλαγή της μέσης τιμής UL της παλμικής τάσης DC στο φορτίο, επιτυγχάνεται ελεγχόμενη ανόρθωση.

1: Ο αμφίδρομος ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου με πλαστική κάψουλα χαμηλής ισχύος χρησιμοποιείται συνήθως ως ακουστικό σύστημα φωτισμού. Ονομαστικό ρεύμα: Το ΙΑ είναι μικρότερο από 2Α.

2: Μεγάλο. Τα πλαστικά σφραγισμένα και σφραγισμένα θυρίστορ μέσης ισχύος χρησιμοποιούνται συνήθως ως κυκλώματα ρύθμισης τάσης ελεγχόμενης τάσης τύπου ισχύος. Όπως ρυθμιζόμενη τάση εξόδου DC τροφοδοσίας κ.λπ.

3: Το θυρίστορ υψηλής συχνότητας υψηλής ισχύος χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία. Κλίβανος τήξης υψηλής συχνότητας κ.λπ