på 2024-06-07 1,154

Forståelse af den siliciumstyrede ensretter (SCR)

Den siliciumstyrede ensretter (SCR) er en vigtig del af effektelektronik, der udvikler sig fra den enklere Shockley-diode.Shockley -dioden fungerede som en grundlæggende switch, men kunne ikke kontrolleres eksternt.Tilføjelse af en portterminal for at skabe SCR muliggjorde præcis kontrol over dens ledning og omdanne den til en aktiv komponent til styring af strøm i forskellige kredsløb.Denne artikel dækker SCR's struktur og drift, inklusive dens interne konfiguration og positive feedbackmekanisme til effektiv skifte.Det forklarer forskellige udløsende metoder og behovet for kontrolleret aktivering for pålidelig ydelse.Artiklen diskuterer også test af SCR -funktionalitet, bruger i AC -strømstyring, avancerede udløsningsteknikker, typer SCR'er og nye tendenser inden for SCR -teknologi.Målet er at give en klar forståelse af SCR'er, hvordan de fungerer og deres rolle i moderne elektronik.

Katalog

Shockley Diode til SCR

Figur 1: Shockley Diode

Shockley Diode, en tidlig version af PNPN -enheden, fungerer som en grundlæggende switch, der tændes, når den når en bestemt spænding.Det har dog begrænset brug, fordi det mangler kontrol over dens skift.Indførelsen af ​​SCR forbedres på Shockley -dioden ved at tilføje en portterminal.Denne tilføjelse giver mulighed for ekstern kontrol af enhedens ledningstilstand og ændrer den fra en simpel switch til en aktiv komponent, der kan håndtere højere effektniveauer med større nøjagtighed.Denne ændring øger enhedens anvendelighed, hvilket gør den velegnet til mange flere elektroniske kredsløb.

Den siliciumstyrede ensretterstruktur

Figur 2: Silicium-kontrolleret switch

Udviklingen fra en Shockley -diode til en SCR involverer at tilføje en portterminal til den eksisterende PNPN -struktur.Denne portterminal tillader, at SCR styres af et eksternt signal, hvilket giver en måde at tænde og slukke for enheden efter behov.Denne ændring gør SCR til en aktiv komponent, hvilket i høj grad udvides brugen af ​​forskellige elektroniske kredsløb.Evnen til at kontrollere skiftevirkningen med et eksternt signal skaber nye muligheder for præcis strømstyring, hvilket er meget nyttigt til moderne elektroniske applikationer.

Struktur og drift af en SCR

Figur 3: Struktur og drift af en SCR

En SCR består af fire halvlederlag, der danner tre PN -kryds, med en anode, en katode og en portterminal.Når porten efterlades uforbundet, fungerer SCR som en Shockley -diode, der tænder for, når overtrækningsspændingen nås.Imidlertid tillader anvendelse af en lille spænding til porten SCR at blive udløst med vilje.

SCR -ledningssti

Når en lille strøm påføres på porten, tændes den nedre transistor i SCR.Denne handling tænder derefter på den øverste transistor og skaber en løkke, der holder SCR i "på" -tilstanden, hvilket tillader strøm at strømme fra anoden til katoden.Når dette sker, er portstrømmen ikke længere nødvendig for at holde SCR tændt.SCR har to transistorer, der arbejder sammen for at holde den på, når den starter.Dette design hjælper SCR -skiftet hurtigt fra off til on.

Figur 4: SCR -ledningssti

For at forstå, hvordan en SCR fungerer, skal du se på dens interne opsætning.Når en puls sendes til porten, aktiverer den den nedre transistor, så strømmen passerer gennem den øverste transistor og holder den nederste på.Denne løkke sikrer, at SCR forbliver på, indtil strømmen falder under et bestemt niveau, kaldet holdestrømmen.Dette gør SCR'er nyttige til at skifte og styre strøm pålideligt.

Udløsende og fyringsmetoder

Triggering, også kaldet fyring, betyder at anvende en spændingspuls på SCR's portterminal.Denne metode sørger for, at SCR kun tændes, når det er nødvendigt, uanset om spændingen går over overbrudspunktet.Omvendt triggering, der slukker SCR ved at anvende en negativ spænding på porten, kan også udføres, men er mindre effektiv, fordi det kræver meget strøm.

Gate Turn-Off Thyristor (GTO) symbol

Figur 5: GTO -symbol

At udløse en SCR er nøglen til dens drift.Portstrømmen, der er nødvendig for at udløse en SCR, er meget lavere end strømmen, der strømmer gennem enheden, hvilket giver en vis forstærkning.Når den først er udløst, forbliver SCR i den ledende tilstand, indtil strømmen gennem den falder under et bestemt niveau, kendt som holdestrømmen.Denne egenskab er meget nyttig i applikationer, hvor der er behov for kontrolleret switching, hvilket sikrer, at SCR forbliver på, indtil belastningsstrømmen falder nok til at slukke for den.Denne kontrollerede aktivering og deaktivering gør SCR'er meget velegnet til applikationer, der kræver præcis strømstyring.

Test af SCR -funktionalitet

For at teste, om en SCR fungerer, kan du starte med en grundlæggende kontrol ved hjælp af et ohmmeter til at måle port-til-katodekrydset.Denne enkle test er dog ikke nok.Du skal også se, hvordan SCR fungerer under belastning.For en grundig test skal du indstille et kredsløb med en DC -strømkilde og trykknapsafbrydere for at observere, hvordan SCR tænder og slukker, når den er tilsluttet en belastning.

Figur 6: SCR -testkredsløb

For at sikre, at SCR'er fungerer korrekt, er flere trin involveret i deres test.Et simpelt testkredsløb kan bygges ved hjælp af en DC -strømforsyning, en belastningsmodstand og trykknapskontakter for at simulere udløsende og opbevaringsprocesser.Ved at se SCR's opførsel i denne opsætning kan man bekræfte dens evne til at låse på og tænde som forventet.Denne testproces hjælper med at diagnosticere potentielle problemer og sikrer pålideligheden af ​​SCR'er i applikationer i den virkelige verden.Omfattende test under faktiske belastningsbetingelser hjælper med at finde eventuelle svagheder eller defekter i SCR, hvilket sikrer pålidelig ydelse i krævende anvendelser.

SCR -kontrol af vekselstrøm

SCR'er bruges ofte, hvor store mængder strøm skal skiftes, men kontrolkredsløbene håndterer kun lille strøm og spænding for enkelhed og pålidelighed.Dette gør SCR'er perfekte til situationer, der har brug for stærke, men følsomme kontrolmekanismer.F.eks. Kan en SCR's portkraft være så lav som 50 mikrowatt (1 V, 50 µA), hvilket sikrer, at de aktiverende kontakter kun styrer dette lille signal.Når den er udløst, kan SCR håndtere og skifte outputbelastning direkte, hvilket giver op til 100 watt eller mere.Dette muliggør effektiv kontrol af højeffektsystemer med minimal belastning på kontrolkredsløbet.

Figur 7: SCR i vekselstrømskontrol

Med hensyn til hvordan de fungerer, er SCR's omvendte opførsel som en typisk silicium ensretterdiode, der fungerer som et åbent kredsløb, når der påføres en negativ spænding mellem anoden og katoden.I den forreste retning blokerer SCR -strømstrømmen, indtil spændingen overstiger et specifikt udbrudspunkt, medmindre der anvendes et portsignal.Når den fremadrettede overordnede spænding overskrides, eller et passende portsignal indføres, overføres SCR hurtigt til en ledende tilstand, med et lavt fremadrettet spændingsfald svarende til det for en enkelt-junt-ensretter.Denne hurtige skiftevne sikrer, at SCR pålideligt kan håndtere belastninger med høj effekt, samtidig med at et lavt effektbehov for kontroloperationer opretholdes.

Figur 8: Seriekontakt

Figuren ovenfor viser en simpel serieafbryder (er), der sender et AC -signal til SCR's port.Modstand R1 begrænser portstrømmen for at holde den sikker, mens diode D forhindrer omvendt spænding i at påvirke porten under den ikke -ledende cyklus.Belastningen (RL), der er tilsluttet anoden, kan være enhver værdi inden for SCR's grænser.Denne opsætning sikrer, at SCR fungerer pålideligt med kontrolleret udløsende og beskyttelse mod elektrisk stress.

Figur 9: AC -switch -bølgeformer

Når switch S er åben, forbliver SCR'en slukket, selvom vekselstrømmen er til stede.Lukkontakten giver den positive del af AC -cyklussen til at udløse SCR, hvilket får den til at lede, fordi anoden er positiv.SCR tændes for mindre end halvdelen af ​​cyklussen og forbliver væk under den negative del af cyklussen.Lukning af S kontrollerer, når SCR tændes, hvilket gør det muligt for strøm at strømme gennem belastningen.For at stoppe strømmen kan du åbne switch S eller vente på den negative cyklus, der slukker for SCR.Denne opsætning tillader let kontrol af den aktuelle strømning i kredsløbet.

Figur 10: Shunt Switch

For at kontrollere en SCR kan du bruge DC på porten.Anvendelse af DC på porten tænder SCR.En anden måde er ved at bruge en switch (er) mellem porten og katoden.Åbning af kontakten tænder SCR på, hvilket gør det muligt for strøm at strømme gennem belastningen.For at slukke for SCR og stoppe strømmen, luk kontakten eller påfør en negativ spænding på anoden.Denne metode hjælper med at kontrollere enheder som motorhastigheder og effektniveauer.

Figur 11: Læs strømmen med lukket switch

To andre enkle metoder til at skifte effekt til belastninger er illustreret.I den første kredsløb leverer den aktiverende kontaktkontakt strøm til belastningen, mens du åbner kontakten, skærer strømmen af.Omvendt fungerer den anden kredsløb omvendt: strøm leveres kun til belastningen, når kontakten er åben.Begge kredsløb kan indstilles til at "låse" ved hjælp af en DC -forsyning i stedet for den viste AC.

I den første kredsløb tilvejebringer en spændingsdelere, der består af modstande R2 og R3, AC -portens signal til SCR.Dette gør det muligt for SCR at skyde og levere strøm, når kontakten er lukket.I den anden kredsløb får lukning af kontakten porten og katoden har det samme potentiale, hvilket forhindrer SCR i at skyde og dermed afskære strømmen til belastningen.Denne enkle opsætning sikrer klar og forudsigelig kontrol af strøm til belastningen i enten konfiguration.

Figur 12: Indlæs strømmen med skiftet åben

AC -strøm kan kontrolleres ved hjælp af kredsløbet vist nedenfor.I denne opsætning er to SCR'er tilsluttet back-to-back for at styre begge halvcyklusser af vekselstrømsspændingen.Denne konfiguration sikrer, at hver SCR håndterer en halvcyklus af AC-bølgeformen, hvilket tillader effektiv og præcis kontrol af den strøm, der leveres til belastningen.

Figur 13: AC -switch med to SCR'er

Kontrolstrøm flyder til portene gennem modstand R3, når en ekstern switch (mekanisk eller elektronisk) forbinder kontrolterminalerne.Denne switch kan styres af forskellige sensorer som lys, varme eller tryk, der aktiverer en elektronisk forstærker.Når kontakten lukkes, udløses SCRS med hver AC -cyklus, hvilket gør det muligt for strømmen at strømme til belastningen.Når kontakten åbnes, skyder SCR'erne ikke, og der leveres ingen strøm til belastningen.Denne mekanisme administrerer effektivt den vekselstrøm, der leveres til belastningen.

Applikationer og typer SCR'er

SCR'er bruges på mange felter, fordi de har stærke kontrolfunktioner.Disse inkluderer strømkonvertering, motorstyring og belysningssystemer.Forskellige typer SCR'er er udviklet til at imødekomme specifikke behov:

Standard SCR: Bruges til generelle formål.

Hurtig skift SCR: Designet til højfrekvente applikationer.

Let-udløst SCR (LTS): Bruger lys til at udløse, tilvejebringelse af elektrisk isolering.

Gate Turn-Off SCR (GTO): Tillader både turn-on og sluk-kontrol.

Omvendt blokering af SCR: Kan blokere strøm i begge retninger.

Tre-fase bro SCR kontrol af belastning

Hver type SCR er lavet til specifikke behov.Standard SCR'er er fleksible og bruges i mange applikationer, mens hurtigskiftende SCR'er er perfekte til højhastighedsoperationer.Let-udløst SCR'er (LTS) bruger lys til at udløse porten, hvilket giver fremragende elektrisk isolering.Gate Turn-Off SCRS (GTO) kan både tænde og slukke, hvilket gør dem egnede til applikationer med høj effekt.Omvendt blokerende SCR'er er designet til at blokere strømstrømmen i begge retninger, hvilket forbedrer deres anvendelse i AC -strømstyringsscenarier.

Figur 14: Tre-fase bro SCR-kontrol af belastning

Praktiske applikationer og avanceret anvendelse af SCR'er

SCR'er er vidt brugt i mange applikationer på grund af deres stærke kontrolfunktioner.Nogle bemærkelsesværdige applikationer inkluderer:

Strømkonverteringssystemer: SCR'er er nøglekomponenter i strømkonverteringssystemer, der styrer ændringen fra AC til DC Power og vice versa.Disse systemer bruges i både industrielle omgivelser og forbrugerelektronik, hvor der er behov for en stabil og pålidelig strømforsyning.

Motorstyring: I motorkontrolapplikationer justerer SCRS hastigheden og drejningsmomentet for elektriske motorer.Ved at ændre fyringsvinklen kontrollerer SCRS den strøm, der leveres til motoren, hvilket tillader præcis kontrol over dens drift.

Belysningssystemer: SCR'er bruges til glatte svage lys ved at kontrollere fasevinklen på vekselstrømsforsyningen.Denne evne giver energibesparelser og forbedrer stemningen i belysningsapplikationer.

Opvarmningskontrol: Ved opvarmningsapplikationer regulerer SCR'er den strøm, der leveres til opvarmningselementer, vedligeholder den ønskede temperatur med høj nøjagtighed.Dette er især nyttigt i industrielle processer, der kræver præcis temperaturstyring.

Beskyttelseskredsløb: SCRS fungerer som kobber i beskyttelseskredsløb, hvor de kortslutter strømforsyningen i tilfælde af en overspændingstilstand for at beskytte følsomme elektroniske komponenter mod skader.

Den brede vifte af applikationer viser fleksibiliteten og anvendeligheden af ​​SCR'er i moderne elektronik, hvor der er behov for præcis kontrol og pålidelig ydelse.

Detaljeret analyse af SCR -egenskaber

At forstå de specifikke egenskaber ved SCR'er er nøglen til deres effektive anvendelse.Nøgleegenskaber inkluderer:

Gate trigger spænding (v_Gt)

Den minimale portspænding, der er nødvendig for at tænde for SCR.

Holder nuværende (i_H)

Den minimumsstrøm, der kræves for at holde SCR -ledningen.

Låsestrøm (i_L)

Den minimumsstrøm, der er nødvendig for at holde SCR i "On" -tilstanden efter portudløseren er fjernet.

Breakover -spænding (V_Bo)

Den spænding, hvorpå SCR tændes uden nogen portstrøm.

Fremad blokerende spænding (V_DRM)

Den maksimale spænding, som SCR kan blokere i den forreste retning uden at udføre.

Omvendt blokerende spænding (V_RRM)

Den maksimale spænding, som SCR kan blokere i omvendt retning.

On-state spændingsfald (V_Tm)

Spændingsfaldet over SCR, når den leder.

DV/DT -vurdering

Den maksimale stigning af stigningen af ​​off-state-spænding, som SCR kan modstå uden at tænde.

DI/DT -vurdering

Den maksimale stigning i den statslige strøm, som SCR kan håndtere uden skader.

SCR -beskyttelse og snubberkredsløb

For at forbedre pålideligheden af ​​SCR'er i praktiske anvendelser bruges ofte beskyttelseskredsløb.En almindelig metode er brugen af ​​snubberkredsløb.Snubberkredsløb beskytter SCR'er mod høje DV/DT- og DI/DT -spændinger, hvilket kan forårsage tidlig fiasko.

Figur 15: SCR -beskyttelse

For at beskytte SCR mod pludselig spændingspidser har hver SCR i et konverterkredsløb et parallelt R-C-snubbernetværk.Dette snubbernetværk beskytter SCR mod interne spændingspidser, der forekommer under den omvendte gendannelsesproces.Når SCR er slukket, omdirigeres den omvendte gendannelsesstrøm til snubberkredsløbet, der indeholder energilagringselementer.

Lyn- og skiftebølger på inputsiden kan beskadige konverteren eller transformeren.For at reducere virkningen af ​​disse spændinger bruges spændingsklemteindretninger på tværs af SCR.Almindelige spændinger klemmeindretninger inkluderer metaloxidvaristorer, selen -tyrektordioder og lavine -diodestøtter.

Disse enheder har faldende modstand, når spændingen øges, hvilket giver en lav modstandsvej på tværs af SCR, når der opstår overspændingsspænding.Figuren nedenfor viser, hvordan en SCR er beskyttet mod overspændinger ved hjælp af en Thyrector -diode og snubbernetværk.

Avancerede udløsningsteknikker til SCR'er

Figur 16: Udløsningsteknik

Ud over enkel portudløsning kan avancerede metoder yderligere forbedre SCR -ydelsen i komplekse opsætninger.Disse metoder inkluderer:

• Pulsudløsning

Brug af korte pulser med højstrøm til at aktivere SCR sikrer, at det tændes pålideligt, selv i støjende miljøer.

• Fasekontrolleret udløsning

Tilpasning af SCR -udløsningen med AC -forsyningen tillader præcis kontrol over den strøm, der sendes til belastningen.

• Optisk isoleret udløsning

Brug af optiske isolatorer til at udløse SCR giver elektrisk isolering og beskytter kontrolkredsløbet mod højspændinger.

• Mikrokontrollerbaseret udløsning

Brug af mikrokontrollere til at generere præcise udløsende impulser tillader sofistikerede kontrolordninger og bedre ydeevne i komplekse opsætninger.

Mikrokontrollerbaseret SCR-udløsning

Figur 17: Mikrokontrollerbaseret SCR-udløsning

Disse avancerede udløsningsteknikker tilbyder mere fleksibilitet og kontrol i SCR -applikationer, hvilket gør dem velegnede til en lang række industrielle og forbrugerelektronik.Ved at bruge disse metoder kan ingeniører opnå

SCRS i moderne kraftelektronik

SCR'er er de vigtigste dele i at skabe effektive og pålidelige strømstyringssystemer.De gør en stor forskel i flere hovedområder, herunder:

Renewable Energy Systems: SCR'er bruges i strøminvertere og controllere til at konvertere og styre strøm fra vedvarende kilder som sol og vind.De håndterer høje effektniveauer og giver præcis kontrol, hvilket gør dem perfekte til disse applikationer.

Elektriske køretøjer: I elektriske køretøjer (EV'er) bruges SCR'er i motoriske controllere og batteriopladningssystemer.De styrer effektstrømmen mellem batteriet og motoren, hvilket sikrer effektiv drift og længere batterilevetid.

Smart Grids: I Smart Grid -applikationer administrerer SCRS fordelingen af ​​elektrisk strøm.De bruges i gitterbundne invertere, spændingsregulatorer og fasevinkelkontrollere for at sikre stabil og effektiv strømforsyning.

Industriel automatisering: SCR'er bruges i motordrev, opvarmningskontrol og processtyringssystemer i industriel automatisering.De håndterer høj effekt og giver præcis kontrol, hvilket gør dem til kernekomponenter i automatiserede fremstillingsprocesser.

Uafbrudt strømforsyning (UPS): SCR'er giver pålidelig strømafbrydelse under strømafbrydelser i UPS -systemer.De hjælper med at skifte jævnt mellem den vigtigste strømforsyning og backup -strømkilden, hvilket sikrer kontinuerlig strøm til nøglesystemer.

Fremtidige tendenser og innovationer inden for SCR -teknologi

Udviklingen af ​​SCR -teknologi forbedrer sig for at imødekomme behovet for bedre og mere pålidelig effektstyring.Nye halvledermaterialer som siliciumcarbid (SIC) og galliumnitrid (GAN) får SCR'er til at fungere bedre ved at håndtere højere spændinger, reducere modstand og forbedre varmehåndtering.Integrerede gate -kommuttede tyristorer (IGCT'er) kombinerer fordelene ved GTO'er og IGBT'er, der tilbyder hurtig skift, lavt energitab og evnen til at håndtere høj effekt til krævende applikationer.Digitale kontrolmetoder med SCR'er giver mulighed for præcis og fleksibel kontrol, hvilket gør systemer mere effektive og pålidelige.Fremskridt inden for fremstillingsteknikker gør SCRS mindre og egnet til bærbare enheder, hvilket er nyttigt for forbrugerelektronik.Forbedrede beskyttelsesfunktioner i SCR'er, som indbyggede snubberkredsløb og overstrømsbeskyttelse, gør dem også mere pålidelige og lettere at bruge.

Konklusion

Kontrolstrøm flyder til portene gennem modstand R3, når en ekstern switch (mekanisk eller elektronisk) forbinder kontrolterminalerne.Denne switch kan styres af sensorer som lys, varme eller tryk, der aktiverer en elektronisk forstærker.Når kontakten lukkes, udløser SCRS med hver AC -cyklus, hvilket giver strøm til belastningen.Når kontakten åbnes, skyder SCR'erne ikke og stopper strømmen.Denne mekanisme kontrollerer vekselstrømsstyrke til belastningen.

Forbedringer i halvledermaterialer som siliciumcarbid (SIC) og galliumnitrid (GAN) vil gøre SCR'er mere effektive og holdbare.Innovationer som Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTS) og digitale kontrolteknikker vil forbedre SCR -ydelsen med hurtigere skift, lavere energitab og bedre pålidelighed.SCR'er vil fortsat spille en nøglerolle i nye teknologier, fra smarte gitter til elektriske køretøjer, hvilket sikrer effektiv og pålidelig strømstyring.

Ofte stillede spørgsmål [FAQ]

1. Hvad er fordelene ved siliciumstyret ensretter?

Den siliciumstyrede ensretter (SCR) giver flere fordele, herunder effektiv effektstyring, høj pålidelighed, evnen til at håndtere høje spændinger og strømme og præcis kontrol over effektstrømmen.SCR'er giver også hurtige skifthastigheder og er holdbare i barske miljøer, hvilket gør dem velegnede til forskellige industrielle anvendelser.

2. Hvad er formålet med silicium ensretterdioden?

En silicium ensretterdiode bruges til at konvertere vekslende strøm (AC) til jævnstrøm (DC).Det giver strømmen mulighed for kun at strømme i en retning og tilvejebringe ensretning, som er nødvendig i strømforsyninger og andre elektroniske kredsløb.

3. Hvorfor har vi brug for kontrolleret ensretter?

Kontrollerede ensrettere bruges til nøjagtigt at styre og kontrollere effektstrømmen i elektroniske enheder.De giver mulighed for at justere udgangsspændingen og strømmen, hvilket er nødvendigt i applikationer som motorhastighedskontrol, strømforsyning og dæmpende lys.Kontrollerede ensretter forbedrer effektiviteten og giver stabilitet i strømforsyningen.

5. Hvad er konklusionen af ​​SCR?

SCR er en alsidig og pålidelig komponent i kraftelektronik.Det giver præcis kontrol over høje effekt- og spændingsapplikationer, hvilket gør den værdifuld i forskellige brancher.SCR'er forbedres fortsat med fremskridt inden for materialer og teknologi, hvilket sikrer deres relevans i fremtidige applikationer.

6. Hvad er anvendelserne af siliciumstyret ensretterdiode?

Anvendelser af siliciumstyrede ensretterdioder inkluderer motorhastighedskontrol, lysdæmpning, strømregulering i AC- og DC-kraftsystemer, overspændingsbeskyttelse og invertere.De bruges også i industriel automatisering, strømforsyning og vedvarende energisystemer som sol- og vindkraftomformere.