Scr что это в электронике

scr тиристор

Тиристоры делятся на два основных вида – с тремя и двумя выводами. Тринистор способен подавать электроэнергию на мощную нагрузку, если на управляющий третий электрод подать слабый сигнал, открывающий прибор. Пример такого полупроводникового компонента – тиристор bt169d . У динисторов третий электрод отсутствует, а открывание прибора происходит в момент, когда напряжение между двумя выводами превысит определённое значение.

Есть разновидность тринистора, получившая название управляемого кремниевого выпрямителя или SCR. Ведёт себя Silicon Controlled Rectifiers подобно тиристору с двумя выводами, то есть может быть открыт напряжением, а заперт уменьшением тока. Но у этого прибора существует ещё и альтернативный способ открывания – с помощью управляющего вывода, на который подаётся слабый ток. Устройство также может быть принудительно выключено, если замкнуть катод и управляющий электрод, что делает его подобным запираемому тиристору.

Запираемый тиристор

Разработка полупроводников для силовых схем началась в начале 50-х годов прошлого века, когда технологи смогли получить кремний высокой чистоты. В середине 50-х был разработан и выпущен четырёхслойный полупроводник с управляющим электродом, названный тиристором.

Включение этого электронного компонента производилось путём подачи слабого импульса тока на управляющий вывод. Выключить тиристор принудительно было нельзя. Он отключался самостоятельно, когда прямой ток падал до нуля, что требовало создания контура коммутации. Это повышало стоимость оборудования и его габаритные размеры.

Конечно, электронщики не стали мириться с таким недостатком уникального полупроводникового прибора, сразу приступив к разработке полностью, а не частично управляемой модели. Задача состояла в том, чтобы заставить тиристор отключаться тоже по сигналу, подаваемому на электрод управления. И в 1960 году такой прибор был создан. Решение нашли американские инженеры. Первые подобные изделия появились на профильном рынке под названием Gate Turn Off.

У нас gto тиристоры известны как «выключаемые » и «запираемые ». Как и обычный, GTO имеет катод, анод и вывод управления. Включение и выключение устройства осуществляется путём подачи положительного или отрицательного сигнала на управляющий электрод.

GTO может находится в четырёх состояниях:

• блокировка;
• включение;
• свободное течение тока;
• выключение.

GTO-тиристор в некотором роде подобен импульсному реле, которое точно так же включает и выключает нагрузку по слаботочному сигналу. Эти устройства могут коммутировать высокое напряжение и ток, имеют к тому же механическую кнопку, с помощью которой нагрузку можно подключать и отключать вручную. Полупроводниковый прибор имеет смысл использовать, когда есть необходимость в быстром переключении.

Остерегайтесь подделок

Сегодня не существует ни одного рыночного сегмента, которого бы не коснулась тема контрафакта. В электронике этот вопрос приобрёл особую остроту. Огромный ущерб, вызванный авариями по вине поддельных тиристоров и фальсифицированных диодов, требует от покупателя особого внимания в части выбора продавца и самой продукции.

Согласно сведениям исследовательской лаборатории, осуществляющей проверку электронных компонентов, наиболее часто подделывают лавинные диоды, в огромных объёмах используемые на железной дороге, а также тиристоры.

1. У тиристоров 40tps12 параметры полностью не соответствовали заявленным в технической спецификации.
2. Одной компании, обратившейся к лаборатории за помощью, предлагали купить партию перемаркированных тиристоров ещё советского производства, выпущенных до 80-го года.
3. Для одного из предприятий покупка фальсификата, маркировка на котором была подделана с помощью липкой ленты, закончилась крупной аварией.

Отсюда вывод: покупать следует только у официальных дистрибьюторов и продукцию известных брендов.

Особенности регуляторов мощности SCR

Сегодня, более чем когда-либо, инженеры проектируют системы электрического технологического нагрева с использованием регуляторов мощности SCR. Использование регулятора мощности SCR имеет множество преимуществ: более точное управление процессом нагрева, увеличенный срок службы нагревателя, улучшенное качество продукции при более высоких скоростях производства и снижение затрат на обслуживание.

Регулятор мощности SCR — это устройство, являющееся примером правильно спроектированного управления мощностью, имеет в конструкции радиатор охлаждения, защиту от скачков напряжения варистора и предохранитель.

Если вы принимаете решения в своей компании, вы должны выбирать из множества типов компонентов, используемых во всем технологическом процессе. Возьмем, к примеру, контроль мощности. Вы можете спросить: «Зачем использовать кремниевый выпрямитель (SCR), регулирующий мощность?» Давайте ответим на данный вопрос.

В отличие от механического реле или контактора, регулятор мощности SCR не имеет механических частей, которые могут изнашиваться. Регулятор мощности SCR не будет подвергаться дуге или загрязнению контактов. А механическое реле необходимо будет заменить через определенное количество циклов. Из-за медленного (минимум 30 секунд) времени цикла, присущего механическим реле, управление напряжением с их помощью будет некачественным, в сравнении с SCR.

Ртутные реле смещения могут работать быстрее, чем механические реле. Однако при перегреве из-за слишком быстрой смены циклов или перегрузки ртутное реле взорвется. Это приводит к проблеме с опасными материалами. Из-за более строгих правительственных нормативов транспортировка и утилизация ртутных реле также становятся все труднее.

Твердотельные реле — популярная альтернатива механическому управлению мощностью. Общие для всех твердотельных устройств твердотельные реле рассеивают тепло, которое необходимо отвести, и они способны рассеивать больше тепла, чем тиристоры. Но твердотельные реле обычно не поставляются с наконечниками, которые обеспечивают надежное электрическое соединение для более высоких уровней мощности. Кроме того, они не всегда продаются с радиаторами, защитой по напряжению или предохранителями, необходимыми для защиты и безопасной работы реле.

Дальнейшие проблемы могут возникнуть из-за характеристик твердотельного реле. Почти все твердотельные реле рассчитаны на максимальную мощность при 25 о С. В реальных условиях эксплуатации, где внутренние температуры электротехнических шкафов достигают более чем 40 ò С, твердотельное реле может потерпеть неудачу , если используется на полную мощность. У большинства производителей есть таблица снижения номинальных характеристик своей продукции, чтобы компенсировать это несоответствие. К сожалению, при выборе твердотельного реле многие пользователи полагаются только на максимальный рейтинг. Обязательно ознакомьтесь с данными производителя, прежде чем выбирать, какое твердотельное реле лучше всего подойдет для вашего процесса.

Минимальное номинальное напряжение SCR

Таблица 1: Минимальное номинальное напряжение SCR. Минимальное номинальное напряжение для SCR определяется уровнем напряжения питания, на котором он будет использоваться.

Продление срока службы вашего регулятора мощности

Три вещи разрушат все твердотельные регуляторы мощности:

• Перегрев.
• Короткие замыкания.
• Скачки напряжения.

Вот как уберечь их от выхода из строя на вашей производственной линии.

Перегрев

Почти все полупроводники будут разрушены при температуре внутреннего перехода 125 o C. Все твердотельные силовые устройства, такие как тиристоры, симисторы и твердотельные реле, рассеивают тепло. Падение напряжения на силовом устройстве приводит к выделению тепла. Это падение может составлять от 1 до 2 В в зависимости от устройства. Чем больше ток (в амперах) проходит через устройство, тем большую мощность устройство будет рассеивать в виде тепла. Это тепло необходимо убрать, иначе устройство выйдет из строя.

Самый простой и распространенный способ отвода тепла — использование радиатора. Если используется радиатор подходящего размера, SCR может работать на полную мощность при температуре окружающей среды 50 o C. Чем выше выходная сила тока, тем больше тепла рассеивается. Многие производители используют вентиляторы для отвода избыточного тепла от высокопроизводительных регуляторов мощности SCR. В некоторых регуляторах мощности SCR со сверхвысокой выходной мощностью (более 1000 А) используются радиаторы с водяным охлаждением.

Одна из проблем с некоторыми SCR или твердотельными реле — это упаковка. Чтобы уменьшить размер радиатора, производители делают его с площадью ребер недостаточной для отвода избыточного тепла. Радиаторы, устанавливаемые на DIN-рейку, позволяют сэкономить место на панели и время установки. Однако, когда многие элементы управления установлены рядом друг с другом на DIN-рейке, удельная мощность внутри корпуса увеличивается. В то же время поток воздуха к радиаторам уменьшается или полностью блокируется. Если вы используете такое расположение, убедитесь, что производитель не потребовал, чтобы радиатор на DIN-рейке охлаждался вентилятором или устанавливался с ребрами радиатора снаружи шкафа. Кроме того, проверьте кривую снижения характеристик устройства на том уровне мощности, который он будет использовать.

Даже при низкой мощности, такой как 25 А, каждая управляемая ножка твердотельного реле будет рассеивать около 50 Вт рассеиваемого тепла. Если у вас есть 20 регуляторов мощности твердотельных реле на DIN-рейке в небольшом корпусе, вам придется избавиться от 1000 Вт тепла! При установке элементов управления питанием следует использовать в два раза большую площадь, занимаемую устройством. Например, если регулятор мощности SCR имеет площадь основания 12 x 12 дюймов, используйте для установки область 24 x 24 дюйма.

Чтобы определить тепло, выделяемое контроллером SCR, используйте следующую формулу: для каждой контролируемой ветви (C) умножьте силу тока нагрузки (I) на 1,5.

C x I x 1,5 = рассеиваемая мощность (Вт)

Пластиковые корпуса действуют как теплоизоляторы. Скорее всего, вы повредите регулятор мощности SCR, если установите его внутри пластикового корпуса. Установка радиатора в сквозное отверстие с ребрами радиатора на внешней стороне корпуса — единственный надежный способ использования пластикового корпуса.

Для создания безопасного расположения элементов, позволяющего поддерживать работу регуляторов мощности SCR в течение многих лет, нужно придерживаться следующих рекомендаций. Все тиристоры должны иметь предохранители и металлооксидную варисторную защиту по напряжению. Радиаторы должны быть расположены на безопасном расстоянии друг от друга для эффективного охлаждения. На дверце шкафа автоматики должен быть установлен вентилятор и вентиляционные отверстия в верхней части корпуса для обеспечения достаточного охлаждения для всех компонентов.

Защита от короткого замыкания и предохранители

Все полупроводники могут быть повреждены коротким замыканием. Один из простейших способов защитить регулятор мощности SCR — это предохранитель. SCR — это прочные и надежные устройства. Однако для обеспечения максимальной производительности и срока службы необходимо использовать полупроводниковые, субцикловые и токоограничивающие предохранители. Почти все производители регуляторов мощности SCR имеют эти предохранители на своих регуляторах. Токоограничивающие предохранители надежны и легко заменяются. Предохранитель этого типа сработает в течение 2 мс. Эти предохранители также ограничивают ток при отключении.

В случае короткого замыкания нагревателя проще всего заменить предохранитель. Перед установкой нового предохранителя обязательно удалите закороченный нагреватель или проводку. Не использовать полупроводниковый предохранитель — это глупо и безответственно. Без защиты плавким предохранителем SCR может быть поврежден, когда в этом нет необходимости.

Регуляторы напряжения, представленные в нашем интернет-магазине, имеют встроенные предохранители, которые позволят безопасно использовать их в нагревательных системах. Только будьте внимательны при выборе требуемой мощности, а лучше обратитесь к специалистам Элемаг за консультацией.

Помните, что 99,9% отказов предохранителей происходят из-за короткого замыкания нагревателей, слабых соединений, неправильного (слишком большого) согласования нагрузки или неправильного подключения регулятора мощности SCR. При высоких скачках нагрузки (вольфрамовые лампы, коротковолновые галогенные нагреватели) использование чего-либо, кроме плавного пуска, управления тиристором по углу сдвига по фазе, приведет к перегоранию предохранителей. Никогда не включайте холодный пусковой блок нагревателя после того, как был активирован плавный пуск.

Убедитесь, что размер регулятора мощности SCR соответствует нагрузке вашего нагревателя. Помните, что у нагревателей и линий электропередач есть допуски. В целях безопасности используйте регулятор мощности SCR с номиналом от 1 до 10 процентов от максимального потенциала нагрузки нагревателя.

Скачки напряжения

Скачки перенапряжения затронут почти все электронные устройства. Переходные скачки напряжения могут привести к пропуску зажигания в SCR или даже к необратимому повреждению SCR.

Самым простым в использовании защитным устройством является металлооксидный варистор (MOV). Варистор подключен к тиристору. При использовании варистора с номинальным напряжением выше, чем линейное напряжение, но ниже, чем пиковое напряжение SCR, металлооксидный варистор становится эффективной защитой от скачков напряжения. Если скачок переходного напряжения превышает номинальное напряжение варистора, варистор блокирует этот скачок. Если импульс достаточно мощный, металлооксидный варистор взорвется, защищая тиристор.

Использование платы подавления DV / DT — это следующий шаг в защите от шума линии электропередач и скачков напряжения. Благодаря сети силовых резисторов, высоковольтных конденсаторов и металлооксидных варисторов, SCR имеет лучшую защиту от линейных помех и скачков напряжения. Эта сеть помогает устранить повреждение SCR, а также пропуски зажигания SCR.

Постоянное перенапряжение разрушит SCR. Убедитесь, что тиристоры, используемые в регуляторе мощности, рассчитаны на достаточно высокое напряжение, чтобы выдерживать пики промышленного напряжения. Чем выше пиковое напряжение SCR, тем безопаснее он.

Выбор SCR

Фазо-угловые регуляторы пропорционально включают процентную долю каждого полупериода линии электропередачи. Это обеспечивает плавное, бесступенчатое приложение мощности к нагревателям. Самый точный метод управления, фазовый обжиг, также может увеличить срок службы нагревателя до семи раз, в зависимости от типа нагревателя. Кроме того, поджиг по фазе позволяет использовать такие опции, как плавный пуск, ограничение напряжения и тока. Эти параметры недоступны с другими средствами управления.

Элементы управления переключением при нулевом напряжении пропорционально включают и выключают каждый полный цикл линии питания. Изменяя количество циклов линии питания переменного тока, SCR обеспечивает питание нагревателей. Благодаря переменной временной развертке достигается оптимальное количество циклов включения и выключения. Этот метод создает меньше линейных шумов радиочастотных помех (RFI), чем тиристоры с фазо-угловым возбуждением.

Регуляторы включения / выключения работают так же, как механические или ртутные реле, но с тем преимуществом, что они намного сокращают время цикла.

Выполнив несколько простых шагов, регулятор мощности SCR может обеспечить превосходную производительность при минимальных затратах на обслуживание в течение многих лет.

Кремниевый выпрямитель — Silicon controlled rectifier

A кремниевый управляемый выпрямитель или Выпрямитель с полупроводниковым управлением представляет собой четырехслойное твердотельное устройство управления током. Принцип четырехслойного p – n – p – n переключения был разработан Moll, Таненбаум, Голди и Холоньяк из Bell Laboratories в 1956 году. Практическая демонстрация кремниевого управляемого переключения и подробное теоретическое поведение устройства в соответствии с экспериментальными результатами были представлены д-ром Яном М. Макинтошем из Bell Laboratories в Январь 1958 г. Имя » Кремниевый управляемый выпрямитель »- это торговая марка General Electric для типа тиристора. SCR был разработан группой инженеров-энергетиков под руководством Гордона Холла и коммерциализирован Фрэнком В. «Биллом» Гуцвиллером в 1957 году.

Некоторые источники определяют кремниевые выпрямители и тиристоры как синонимы., другие источники определяют кремниевые выпрямители как собственное подмножество набора тиристоров, которые представляют собой устройства по крайней мере с четырьмя слоями чередующегося материала n- и p-типа.. По словам Билла Гутцвиллера, термины «SCR» и «управляемый выпрямитель» были раньше, а «тиристор» применялся позже, так как использование устройства распространилось по всему миру.

SCR являются однонаправленными устройствами (т.е. могут проводить только ток в одном направлении) в отличие от симисторов, которые являются двунаправленными (т.е. носители заряда могут проходить через них в любом направлении). SCR могут нормально срабатывать только положительным током, идущим в затвор, в отличие от TRIAC, которые могут запускаться нормально либо положительным, либо отрицательным током, подаваемым на его электрод затвора.

Содержание

• 1 Режимы работы
  • 1.1 Прямой режим блокировки
  • 1.2 Прямой режим проводимости
  • 1.3 Обратный режим блокировки

  Режимы работы

  Характеристика кривая кремниевого выпрямителя

  Существует три режима работы тиристора в зависимости от заданного смещения:

  1. Режим блокировки в прямом направлении (выключенное состояние)
  2. Режим прямой проводимости (во включенном состоянии)
  3. Обратный режим блокировки (выключенное состояние)

  Прямой режим блокировки

  В этом режиме работы на анод (+) подается положительное напряжение, а на катод (-) — отрицательное напряжение, сохраняющее нулевой потенциал затвора (0), т.е. отключенный. В этом случае переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении, а J2 смещены в обратном направлении, допуская только небольшой ток утечки от анода к катоду. Когда приложенное напряжение достигает значения пробоя для J2, тогда J2 подвергается лавинному пробою. При этом напряжении отключения J2 начинает проводить, но ниже напряжения отключения J2 обеспечивает очень высокое сопротивление току, и говорят, что тиристор находится в выключенном состоянии.

  Режим прямой проводимости

  SCR может быть переведен из режима блокировки в режим проводимости двумя способами: либо путем увеличения напряжения между анодом и катодом сверх напряжения отключения, либо путем подачи положительного импульса у ворот. Как только SCR начинает проводить, больше не требуется напряжения на затворе, чтобы поддерживать его в состоянии ON . Минимальный ток, необходимый для поддержания SCR в состоянии ON при снятии напряжения затвора, называется током фиксации.

  Есть два способа выключить его :

  1. Уменьшить ток через него ниже минимального значения, называемого током удержания, или
  2. с выключенным затвором выключенным, закоротите анод и катод на мгновение с помощью кнопочного переключателя или транзистора через переход.

  Обратный режим блокировки

  Когда отрицательное напряжение приложено к аноду, а положительное — к На катоде тиристор находится в режиме обратной блокировки, в результате чего J1 и J3 смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. Устройство ведет себя как два последовательно включенных диода с обратным смещением. Протекает небольшой ток утечки. Это режим обратной блокировки. Если обратное напряжение увеличивается, то на критическом уровне пробоя, называемом напряжением обратного пробоя (V BR), на J1 и J3 возникает лавина, и обратный ток быстро увеличивается. Доступны тиристоры с возможностью обратной блокировки, которая увеличивает прямое падение напряжения из-за необходимости иметь длинную область P1 с низким содержанием примесей. Обычно номинальное напряжение обратной блокировки и номинальное напряжение прямой блокировки одинаковы. Типичное применение SCR с обратной блокировкой — это инверторы с источником тока.

  SCR, неспособный блокировать обратное напряжение, известен как асимметричный SCR, сокращенно ASCR . Обычно он имеет номинал обратного пробоя в десятки вольт. ASCR используются там, где либо параллельно применяется диод с обратной проводимостью (например, в инверторах источника напряжения), либо там, где обратное напряжение никогда не возникает (например, в импульсных источниках питания или тяговых прерывателях постоянного тока).

  Асимметричные тиристоры могут быть изготовлены с диодом с обратной проводимостью в том же корпусе. Они известны как RCT для тиристоров с обратной проводимостью.

  Методы включения тиристоров

  1. запуск по прямому напряжению
  2. запуск затвора
  3. запуск dv / dt
  4. срабатывание по температуре
  5. срабатывание по свету

  Срабатывание по прямому напряжению происходит, когда прямое напряжение анод-катод увеличивается при разомкнутой цепи затвора. Это известно как лавинный пробой, во время которого выход J2 выходит из строя. При достаточном напряжении тиристор переходит во включенное состояние с низким падением напряжения и большим прямым током. В этом случае J1 и J3 уже имеют прямое смещение .

  Для того, чтобы произошло срабатывание затвора, тиристор должен находиться в состоянии прямой блокировки, когда приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, в противном случае — прямое напряжение. может произойти запуск. Затем между затвором и катодом может быть приложен одиночный небольшой положительный импульс напряжения. Это подает одиночный импульс тока затвора, который переводит тиристор во включенное состояние. На практике это наиболее распространенный метод, используемый для запуска тиристора.

  Простая схема SCR

  Простая схема SCR с резистивной нагрузкой

  Простую схему SCR можно проиллюстрировать с использованием источника переменного напряжения подключен к SCR с резистивной нагрузкой. Без подачи импульса тока на затвор SCR, SCR остается в состоянии прямой блокировки. Это делает начало проведения SCR управляемым. Угол задержки α, который представляет собой момент подачи импульса тока затвора по отношению к моменту естественной проводимости (ωt = 0), управляет началом проводимости. Как только SCR проводит, SCR не выключается, пока ток через SCR, i s не станет отрицательным. i s остается нулевым до тех пор, пока не будет подан следующий импульс тока затвора и SCR снова не начнет проводить.

  Приложения

  SCR в основном используются в устройствах, где управление высокой мощностью, возможно, в сочетании с высоким напряжением. Их работа делает их пригодными для использования в системах управления питанием переменного тока среднего и высокого напряжения, таких как диммирование ламп, регуляторы мощности и управление двигателями.

  тиристоры и аналогичные устройства используются для выпрямления переменного тока большой мощности в передаче электроэнергии постоянного тока высокого напряжения. Они также используются для управления сварочными аппаратами, в основном GTAW (газовая дуговая сварка вольфрамом) аналогичные процессы. Он используется в качестве переключателя в различных устройствах. Ранние твердотельные пинбол-машины использовали их для управления освещением, соленоидами и другими функциями в цифровом виде, а не механически, отсюда и название — твердотельные.

  Сравнение с SCS

  Контролируемый кремнием переключатель (SCS) ведет себя почти так же, как и SCR; но есть несколько отличий: в отличие от SCR, SCS отключается, когда положительное напряжение / входной ток подается на другой вывод анодного затвора. В отличие от SCR, SCS также может переходить в режим проводимости, когда к тому же выводу прикладывается отрицательное напряжение / выходной ток.

  SCS полезны практически во всех схемах, которым нужен переключатель, который включается / выключается с помощью двух отдельных управляющих импульсов. Сюда входят схемы переключения питания, логические схемы, драйверы ламп, счетчики и т. Д.

  По сравнению с симисторами

  A TRIAC похож на тиристоры, поскольку оба действуют как переключатели с электрическим управлением. В отличие от SCR, TRIAC может пропускать ток в любом направлении. Таким образом, TRIAC особенно полезны для приложений переменного тока. TRIAC имеет три вывода: вывод затвора и два проводящих вывода, называемых MT1 и MT2. Если на вывод затвора не подается ток / напряжение, TRIAC отключается. С другой стороны, если триггерное напряжение приложено к выводу затвора, TRIAC включается.

  TRIAC подходят для цепей регулирования яркости света, цепей управления фазой, цепей переключения питания переменного тока, цепей управления двигателями переменного тока и т. Д.

  Тиристор SCR (управляемый кремниевый выпрямитель)

  Динисторы (диоды Шокли) и тиристоры SCR (Silicon Controlled Rectifiers, управляемые кремниевые выпрямители)

  Динисторы (диоды Шокли) – это довольно любопытные устройства, но довольно ограниченные в применении. Однако их полезность может быть расширена путем оснащения их другим средством отпирания. При этом каждый из них становится настоящим усилительным устройством (только если в режиме отпирания/запирания), и мы называем их кремниевыми управляемыми выпрямителями (silicon-controlled rectifier) или SCR тиристорами.

  Тиристор SCR (silicon-controlled rectifier, кремниевый управляемый выпрямитель), или просто тринистор

  Развитие от динистора до тринистора достигается с помощью одного небольшого дополнения, фактически не более чем третьего подключения к существующей структуре PNPN (рисунок ниже).

  Тиристор SCR (управляемый выпрямитель, тринистор)

  Проводимость управляемых выпрямителей SCR (тринисторов)

  Если управляющий электрод тринистора остается висящим в воздухе (неподключенным), он ведет себя точно так же, как динистор (диод Шокли). Он может быть отперт напряжением переключения или превышением критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом, всё как у динистора. Запирание осуществляется за счет уменьшения тока до тех пор, пока один или оба внутренних транзистора не упадут в режим отсечки, всё как у динистора. Однако, поскольку управляющий вывод подключается непосредственно к базе нижнего транзистора, он может использоваться как альтернативное средство отпирания тиристора SCR. Прикладывая небольшое напряжение между управляющим электродом и катодом, нижний транзистор будет открываться результирующим тока базы, что приведет к тому, что верхний транзистор будет проводить ток, а затем запитывать базу нижнего транзистора, поэтому он больше не будет нуждаться в активации напряжением управляющего электрода. Разумеется, необходимый для отпирания ток управляющего вывода будет намного ниже, чем ток через SCR тиристор от катода до анода, поэтому, используя SCR тиристор, можно добиться усиления.

  Переключение/запуск

  Данный метод обеспечения проводимости тиристора SCR называется запуском или переключением, и на сегодняшний день наиболее распространенным способом является тот, которым SCR тиристор отпирается в реальной практике. Фактически, SCR тиристоры обычно выбираются так, чтобы их напряжения переключения находились далеко за пределами наибольшего напряжения, ожидаемого от источника питания, поэтому его можно включить (отпереть) только путем преднамеренного импульса напряжения, подаваемого на управляющий вывод.

  Обратное переключение

  Следует отметить, что SCR тиристоры иногда могут быть выключены (заперты) путем прямого замыкания управляющего вывода и вывода катода или с помощью «обратного переключения» управляющего вывода отрицательным напряжением (относительно катода), чтобы принудительно перевести нижний транзистор в режим отсечки. Я говорю, что это «иногда» возможно потому, что это включает в себя шунтирование всего тока верхнего транзистора через базу нижнего транзистора. Этот ток может быть существенным, что в лучшем случае затрудняет запирание SCR тиристора. Вариация SCR тиристора под названием запираемый тиристор, или GTO (Gate-Turn-Off), облегчает эту задачу. Но даже с GTO тиристором ток управляющего электрода, необходимый для его отключения, может составлять до 20% от тока анода (нагрузки)! Условное обозначение GTO тиристора показано на рисунке ниже.

  Условное обозначение GTO тиристора

  SCR тиристоры против GTO тиристоров

  Тиристоры SCR и GTO имеют одну и ту же эквивалентную схему (два транзистора, соединенные по принципу положительной обратной связи), единственными отличиями являются детали конструкции, предназначенные для предоставления NPN транзистору большего коэффициента β, чем у PNP транзистора. Это позволяет меньшему току управляющего электрода (прямому или обратному) осуществлять большую степень управления проводимостью от катода к аноду, причем открытое состояние PNP транзистора больше зависит от NPN транзистора, чем наоборот. Запираемый тиристор GTO также известен под названием тиристор GCS (Gate-Controlled Switch).

  Проверка работоспособности SCR тиристора с помощью мультиметра

  Элементарный тест работоспособности SCR тиристора или, по крайней мере, определение выводов, может выполняться измерителем сопротивления. Поскольку внутреннее соединение между управляющим электродом и катодом является PN переходом, мультиметр должен показывать целостность соединения между этими выводами с красным измерительным щупом на управляющем электроде и черным измерительным щупом на катоде следующим образом (рисунок ниже).

  Элементарная проверка SCR тиристора

  Все остальные измерения целостности соединений, выполненные на SCR тиристоре, будут показывать «разрыв» («OL» на дисплеях некоторых цифровых мультиметров). Следует понимать, что этот тест очень груб и не является полной оценкой SCR тиристора. SCR тиристор может давать хорошие показания омметра и по-прежнему оставаться неисправным. В конечном счете, единственный способ проверить SCR тиристор – подвергнуть его нагрузочному току.

  Если вы используете мультиметр с функцией «проверки диода», показания напряжения перехода управляющий электрод — катод, которые вы получите, могут соответствовать, а могут и нет, тому, что ожидается от кремниевого PN перехода (примерно 0,7 вольта). В некоторых случаях вы будете получать показания намного более низкого напряжения перехода: сотые доли вольта. Это связано с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом и включенным в некоторые SCR тиристоры. Этот резистор добавляется, чтобы сделать SCR тиристор менее восприимчивым к ложным срабатываниям из-за ложных импульсов напряжения, из-за «шума» схемы или из-за статического электрического разряда. Другими словами, наличие резистора, подключенного к переходу управляющего электрода и затвора, требует большего переключающего сигнала (существенного тока) для отпирания SCR тиристора. Эта функция часто встречается в мощных SCR тиристорах, а не в маленьких. Не забывайте, что SCR тиристор с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом, будет показывать целостность соединения в обоих направлениях между этими двумя выводами (рисунок ниже).

  У больших SCR тиристоров между управляющим электродом и катодом есть встроенный резистор

  SCR тиристоры с чувствительным управляющим электродом

  «Обычные» SCR тиристоры, лишенные внутреннего резистора, иногда называются SCR тиристорами с чувствительным управляющим электродом из-за их способности запускаться малейшим положительным сигналом на управляющем электроде.

  Тестовая схема для SCR тиристора является практичной в качестве диагностического инструмента для проверки подозрительных SCR тиристоров, а также отличной помощью для понимания основ работы SCR тиристоров. Для питания схемы используется источник питания постоянного тока, а два кнопочных коммутатора используются для отпирания и запирания SCR тиристора (рисунок ниже).

  Схема для проверки SCR тиристоров

  Нажатие нормально разомкнутой кнопки «вкл» соединяет управляющий электрод с анодом, позволяя протекать току от отрицательного вывода батареи через PN переход катод — управляющий электрод, через кнопку, через резистор нагрузки, и обратно к батарее. Этот ток управляющего электрода должен заставить SCR тиристор отпереться, позволяя протекать току прямо от катода к аноду без дальнейшего отпирания через управляющий электрод. Когда кнопка «вкл» отпущена, нагрузка должна оставаться под напряжением.

  Нажатие нормально замкнутой кнопки «выкл» разрывает цепь, заставляя ток через SCR тиристор остановиться, тем самым вынуждая его запереться (величина тока ниже тока удержания).

  Ток удержания

  Если SCR тиристор не отпирается, проблема может быть связана с нагрузкой, а не с тиристором. Чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, требуется определенная величина тока нагрузки. Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может и не набирать достаточный ток, чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, когда прекращается ток через управляющий электрод, что дает ложное впечатление о плохом (неотпираемом) SCR тиристоре в тестовой схеме. Значения тока удержания для разных SCR тиристоров доступны у производителей. Типовые значения тока удержания колеблются от 1 миллиампера до 50 миллиампер и более для больших тиристоров.

  Чтобы проверка была исчерпывающей, необходимо протестировать более чем переключающее поведение. Прямое напряжение переключения SCR тиристора можно проверить, увеличивая напряжение источника постоянного тока (без нажатия кнопок) до тех пор, пока SCR тиристор не отопрется самостоятельно. Остерегайтесь того, что для теста переключения может потребоваться очень высокое напряжение: многие мощные SCR тиристоры имеют номинальное напряжение переключения 600 вольт и более! Кроме того, если имеется импульсный генератор напряжения, аналогичным способом может быть проверена критическая скорость повышения напряжения SCR тиристора: необходимо подвергнуть тиристор импульсному напряжению с разными скоростями напряжение/время без воздействия на кнопочные переключатели и пронаблюдать, когда тиристор отопрется.

  В этом простом виде, схема для проверки SCR тиристоров может быть достаточной в качестве схемы управления запуском/остановкой для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки (рисунок ниже).

  Схема управления запуском/остановкой двигателя постоянного тока

  Схема «монтировки»

  Другое практическое применение SCR тиристора в схемах постоянного тока – это устройство «монтировки» для защиты от перенапряжения. Схема «монтировки» состоит из SCR тиристора, установленного параллельно выходу источника постоянного напряжения, для установления короткого замыкания на выходе этого источника питания, чтобы предотвратить подачу слишком повышенного напряжения на нагрузку. Повреждение SCR тиристора и источника питания предотвращается путем установки перед SCR тиристором подходящего предохранителя или существенного последовательного сопротивления для ограничения тока короткого замыкания (рисунок ниже).

  Схема «монтировки», используемая в источнике питания постоянного тока

  Некоторое устройство или схема, определяющие выходное напряжение, будут подключены к управляющему электроду SCR тиристора, поэтому при возникновении состояния перенапряжения между управляющим электродом и катодом будет приложено напряжение, отпирающее SCR тиристор и заставляющее сработать предохранитель. Эффект будет примерно таким же, как кидание стальной монтировки прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и название схемы.

  Большинство применений SCR тиристоров предназначены для управления питанием переменным током, несмотря на то, что SCR тиристоры являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если схеме требуется двунаправленный ток, можно использовать несколько SCR тиристоров, причем для обработки обоих полупериодов волны переменного тока в каждом направлении должны смотреть один или несколько тиристоров. Основная причина, по которой SCR тиристоры вообще используются в приложениях управления питанием переменным током, – это уникальная реакция тиристора на переменный ток. Как мы видели, тиратронная лампа (электронно-ламповая версия SCR тиристора) и симметричный динистор (DIAC), гистерезисное устройство, запускаемое во время части полупериода переменного тока, будут отпираться и оставаться включенными на протяжении всей оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток не уменьшится до нуля, так как должен начинать следующий полупериод. Только перед точкой пересечения нуля сигналом переменного тока тиристор отключится (запрется) из-за недостаточного тока (это поведение также называется естественной коммутацией) и должен будет снова отпереться в следующем периоде. Результатом является ток цепи, эквивалентный «обрезанной» синусоиде. Для примера, ниже приведен график отклика симметричного динистора (DIAC) на переменное напряжение, пиковое значение которого превышает напряжение переключения DIAC.

  Двунаправленный отклик симметричного динистора (DIAC)

  При использовании DIAC предельное напряжение переключения было фиксированной величиной. С SCR тиристором мы контролируем, когда точно устройство отпирается путем переключения управляющего вывода в любой момент времени периода сигнала. Подключив подходящую схему управления к управляющему электроду SCR тиристора, мы можем «обрезать» синусоиду в любой точке, чтобы обеспечить пропорционально времени управление питанием на нагрузке.

  Возьмем в качестве примера схему на рисунке ниже. Здесь SCR тиристор помещается в схему для управления питанием нагрузки, потребляемым от источника переменного тока.

  Управление питанием переменным током с помощью SCR тиристора

  Будучи однонаправленным (односторонним) устройством, самое большее, что мы можем подать на нагрузку, это только одна полуволна во время полупериода переменного тока, когда полярность напряжения питания положительна сверху и отрицательна снизу. Однако для демонстрации базовой идеи управления пропорционально времени эта простая схема подходит лучше, чем схема, управляющая мощностью во время всей волны (для чего потребуется два SCR тиристора).

  При отсутствии переключения на управляющем электроде и величине напряжения источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения переключения SCR тиристора SCR тиристор никогда не откроется. Подключение управляющего электрода SCR тиристора к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через управляющий вывод в случае, если SCR тиристор содержит встроенный резистор между управляющим выводом и катодом) позволит запускать SCR тиристор почти сразу в начале каждого положительного полупериода (рисунок ниже).

  Управляющий электрод подключен напрямую к аноду через диод; через нагрузку протекает почти целая полуволна тока.

  Задержка запуска SCR тиристора

  Однако мы можем отложить запуск SCR тиристора, вставив некоторое сопротивление в цепь управляющего электрода, тем самым увеличивая величину падения напряжения, требуемого перед тем, как будет достигнут достаточный ток управляющего электрода SCR тиристора. Другими словами, если мы затрудняем движение электронов через управляющий электрод путем добавления сопротивления, переменное напряжение должно будет достигнуть более высокой точки в своем цикле, прежде чем будет достигнут достаточный ток управляющего вывода, чтобы включить SCR тиристор. Результат показан на рисунке ниже.

  В цепь управляющего электрода вставлено сопротивление; через нагрузку протекает меньше полуволны тока.

  Когда сигнал «полусинусоиды» будет в значительной степени обрезан за счет задержки запуска SCR тиристора, нагрузка получит меньшую среднюю мощность (питание подается на меньшее время в течение всего периода). Сделав последовательный резистор в цепи управляющего электрода переменным, мы можем подстроить мощность пропорционально времени (рисунок ниже).

  Увеличение сопротивления повышает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит меньшая мощность.
  Уменьшение сопротивления понижает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит большая мощность.

  К сожалению, эта схема управления имеет значительные ограничения. При использовании сигнала источника переменного тока в качестве сигнала, переключающего наш SCR тиристор, мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем подождать, чтобы переключить SCR тиристор после пика сигнала. Это означает, что мы можем убавить мощность только до того момента, когда SCR тиристор включится на самом пике сигнала.

  Схема при установке минимальной мощности

  Повышение порога срабатывания переключения приведет к тому, что схема не будет запускаться вообще, так как даже пик переменного напряжения источника питания будет недостаточным для запуска SCR тиристора. В результате питание на нагрузку подаваться не будет.

  Гениальное решение этой дилеммы управления обнаруживается при добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора (рисунок ниже).

  Добавление в схему фазосдвигающего конденсатора

  Меньший сигнал, показанный на графике, представляет собой напряжение на конденсаторе. Для иллюстрации фазового сдвига я предполагаю условие максимального управляющего сопротивления, когда SCR не запускается вообще и не подает на нагрузку ток, за исключением того, какой небольшой ток проходит через управляющий резистор и конденсатор. Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0° до 90°, отставая от сигнала переменного тока. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, SCR тиристор отпирается.

  При напряжении на конденсаторе, достаточном для периодического запуска SCR тиристора, итоговый сигнал тока нагрузки будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

  Сдвинутый по фазе сигнал переключает SCR тиристор в режим проводимости

  Поскольку сигнал на конденсаторе всё еще растет после того, как основной сигнал от источника питания достиг своего пика, становится возможным запустить SCR тиристор на пороговом уровне за этим пиковым значением, тем самым обрезая сигнал тока нагрузки дальше, чем это было возможно с более простой схемой. В действительности сигнал напряжения конденсатора немного сложнее, чем показано здесь, его синусоидальная форма искажается каждый раз, когда открывается SCR тиристор. Однако то, что я пытаюсь проиллюстрировать здесь, – это отложенное срабатывание, связанное с фазосдвигающей RC цепью; таким образом, упрощенная, неискаженная форма сигнала хорошо служит этой цели.

  Запуск SCR тиристоров сложными схемами

  SCR тиристоры также могут быть запущены, или «отперты», более сложными схемами. Хотя ранее показанная схема достаточна для простого применения, такого как управление лампой, управление большими промышленными двигателями часто опирается на более сложные схемы запуска. Иногда для соединения схемы запуска с управляющим электродом и катодом SCR тиристора для обеспечения электрической изоляции между цепями запуска и силовыми цепями используются импульсные трансформаторы (рисунок ниже).

  Трансформаторная связь сигнала переключения обеспечивает изоляцию

  Когда для управления питанием используется несколько SCR тиристоров, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение единой схемы запуска ко всем SCR тиристорам одинаково. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель, показанный на рисунке ниже.

  Управляемый мостовой выпрямитель

  В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в этом примере выпрямительные SCR тиристоры) должны проводить ток в противоположных парах. SCR₁ и SCR₃ должны быть запущены одновременно, и SCR₂ и SCR₄ должны быть запущены как пара. Однако, как вы заметили, эти пары SCR тиристоров не используют одни и те же соединения катодов, а это означает, что схема не будет работать, если просто запараллелить их управляющие электроды и подключить к ним единый источник напряжения, чтобы запустить оба тиристора (рисунок ниже).

  Эта стратегия не будет работать для запуска SCR₂ и SCR₄ в качестве пары

  Хотя показанный источник напряжения запуска запустит SCR₄, он не запустит должным образом SCR₂, потому что эти два тиристора не имеют общего соединения катодов для использования его в качестве опорной точки для напряжения запуска. Однако импульсные трансформаторы, подключающие два управляющих электрода тиристоров к источнику напряжения запуска, будут работать (рисунок ниже).

  Трансформаторная связь управляющих электродов позволяет запускать SCR₂ и SCR₄

  Имейте в виду, что эта схема показывает подключение управляющих электродов только двух из четырех SCR тиристоров. Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR₁ и SCR₃, а также детали самих импульсных источников были опущены для простоты.

  Управляемые мостовые выпрямители не ограничиваются однофазными схемами. В большинстве промышленных систем питание переменным током доступно в трехфазной форме для получения максимальной эффективности, и из-за своих преимуществ в них используются твердотельные схемы управления. Схема трехфазного управляемого выпрямителя, построенная на SCR тиристорах, не показывающая импульсных трансформаторов и схем запуска, будет выглядеть как на рисунке ниже.

  Трехфазное мостовое управление нагрузкой на SCR тиристорах

  Читать:

  Зачем нужен выход групповой перенос в шифраторе