Siliciumgestuurde gelijkrichter

Siliciumgestuurde gelijkrichter (SCR)

Silicon Controlled Rectifier (SCR), ook wel thyristor genoemd, is een elektrisch onderdeel met hoog vermogen. Het heeft de voordelen van klein formaat, hoog rendement en een lange levensduur. In automatische besturingssystemen kan het worden gebruikt als een krachtige driver om apparaten met een hoog vermogen met een laag vermogen te besturen. Het wordt veel gebruikt in AC- en DC-motorsnelheidsregelsystemen, vermogensregelsystemen en servosystemen.

Er zijn twee soorten thyristor: unidirectionele thyristor en bidirectionele thyristor. Bidirectionele thyristor, ook bekend als bidirectionele thyristor met drie aansluitingen, afgekort als TRIAC. Bidirectionele thyristor is structureel gelijkwaardig aan twee unidirectionele thyristors die omgekeerd zijn verbonden, en dit type thyristor heeft een bidirectionele geleidingsfunctie. De aan/uit-status wordt bepaald door de controlepool G. Door een positieve (of negatieve) puls aan de controlepool G toe te voegen, kan deze in voorwaartse (of achterwaartse) richting geleiden. Het voordeel van dit apparaat is dat het regelcircuit eenvoudig is en dat er geen problemen zijn met sperspanning, waardoor het bijzonder geschikt is voor gebruik als contactloze AC-schakelaar.

1 SCR-structuur

We gebruiken unidirectionele thyristors, ook wel gewone thyristors genoemd. Ze zijn samengesteld uit vier lagen halfgeleidermateriaal, met drie PN-overgangen en drie externe elektroden [Figuur 2 (a)]: de elektrode die uit de eerste laag P-type halfgeleider wordt geleid, wordt anode A genoemd, de elektrode die uit de eerste laag van het P-type halfgeleider wordt geleid, wordt anode A genoemd, de elektrode die uit de De derde laag van het P-type halfgeleider wordt stuurelektrode G genoemd, en de elektrode die uit de vierde laag van het N-type halfgeleider wordt geleid, wordt kathode K genoemd. Uit het elektronische symbool van de thyristor [Fig. 2 (b)] kunnen we zien dat het een unidirectioneel geleidend apparaat is, zoals de diode. De sleutel is om een ​​stuurelektrode G toe te voegen, waardoor deze totaal andere werkingskarakteristieken heeft dan de diode.

Het P1N1P2N2-apparaat met vier lagen en drie aansluitingen, gebaseerd op een enkel kristal van silicium als basismateriaal, begon in 1957. Vanwege de kenmerken die vergelijkbaar zijn met die van vacuümthyristors, wordt het internationaal algemeen aangeduid als siliciumthyristors, afgekort als thyristors T. Bovendien, omdat thyristors werden oorspronkelijk gebruikt bij statische gelijkrichting, ze zijn ook bekend als siliciumgestuurde gelijkrichterelementen, afgekort als thyristor SCR.

In termen van prestaties heeft de siliciumgelijkrichter niet alleen een enkele geleidbaarheid, maar heeft hij ook een waardevollere regelbaarheid dan componenten van de siliciumgelijkrichter (algemeen bekend als"dood silicium"). Het heeft slechts twee statussen: aan en uit.

Thyristor kan elektromechanische apparatuur met hoog vermogen besturen met milliampère-niveaustroom. Als dit vermogen wordt overschreden, zal de gemiddelde stroom die wordt doorgelaten afnemen als gevolg van een aanzienlijke toename van het schakelverlies van componenten. Op dit moment moet de nominale stroom worden verlaagd voor gebruik.

Er zijn veel voordelen van een thyristor, zoals het regelen van hoog vermogen met laag vermogen, en de vermogensversterkingsfactor kan enkele honderdduizenden keren bedragen; Extreem snelle respons, aan- en uitzetten binnen microseconden; Geen contactbediening, geen vonken, geen geluid; Hoge efficiëntie, lage kosten, etc.

Thyristors worden qua uiterlijk voornamelijk geclassificeerd als boutvormig, vlakke plaatvormig en vlakke bodemvormig.

Structuur van thyristorcomponenten

Ongeacht het uiterlijk van de thyristor, is hun kern een vierlaagse P1N1P2N2-structuur, bestaande uit P-type silicium en N-type silicium. Zie figuur 1. Het heeft drie PN-overgangen (J1, J2, J3), waarbij anode A wordt geïntroduceerd vanuit de P1-laag van de J1-structuur, kathode K wordt geïntroduceerd vanuit de N2-laag en stuurelektrode G wordt geïntroduceerd vanuit de P2-laag. Daarom is het een halfgeleiderapparaat met vier lagen en drie aansluitingen.

2 werkingsprincipe

Structurele elementen

Thyristor is een P1N1P2N2 vierlaags drie-terminal structureel element met drie PN-overgangen. Bij het analyseren van het principe kan het worden beschouwd als samengesteld uit een PNP-transistor en een NPN-transistor, en het equivalente diagram wordt weergegeven in de rechter figuur. Bidirectionele thyristor: Bidirectionele thyristor is een siliciumgestuurd gelijkrichterapparaat, ook bekend als TRIAC. Dit apparaat kan contactloze controle van wisselstroom in circuits bereiken, waarbij grote stromen met kleine stromen worden geregeld. Het heeft de voordelen van geen vonken, snelle actie, lange levensduur, hoge betrouwbaarheid en vereenvoudigde circuitstructuur. Qua uiterlijk lijkt de bidirectionele thyristor sterk op de gewone thyristor, met drie elektroden. Echter, met uitzondering van één elektrode G, die nog steeds de stuurelektrode wordt genoemd, worden de andere twee elektroden gewoonlijk niet langer de anode en de kathode genoemd, maar gezamenlijk de hoofdelektroden Tl en T2 genoemd. Het symbool ervan verschilt ook van dat van gewone thyristors, dat wordt getekend door de verbinding van twee thyristors met elkaar om te draaien, zoals weergegeven in figuur 2. Het model wordt over het algemeen weergegeven door"3CTS"of"KS"in China; Buitenlandse gegevens kunnen ook worden weergegeven door 'TRIAC'. De specificaties, modellen, uiterlijk en opstelling van de elektrodepennen van de bidirectionele thyristor variëren afhankelijk van de fabrikant, maar de meeste elektrodepennen zijn van links naar rechts gerangschikt in de volgorde T1, T2 en G (indien waargenomen zijn de elektrodepennen naar beneden gericht en naar de kant gericht met tekens). Het uiterlijk en de opstelling van de elektrodepennen van de meest voorkomende bidirectionele thyristor met plastic ingekapselde structuur op de markt worden weergegeven in figuur 1.

3 SCR-kenmerken

Laten we, om de werkingskenmerken van thyristoren intuïtief te begrijpen, eens kijken naar dit lesbord (Figuur 3). De thyristor VS is in serie geschakeld met het kleine lampje EL en via schakelaar S verbonden met de gelijkstroomvoeding. Merk op dat anode A is verbonden met de positieve pool van de voeding, en kathode K is verbonden met de negatieve pool van de voeding. en stuurelektrode G is verbonden met de positieve pool van de 1,5 V DC-voeding via knopschakelaar SB (hier worden thyristors van het type KP1 gebruikt, en als thyristors van het type KP5 worden gebruikt, moeten deze worden aangesloten op de positieve pool van de 3V DC-voeding). De verbindingsmethode tussen de thyristor en de voeding wordt voorwaartse verbinding genoemd, wat betekent dat de positieve spanning wordt aangelegd op zowel de anode- als de stuurpolen van de thyristor. Zet de aan/uit-schakelaar S aan, maar het kleine lampje gaat niet branden, wat aangeeft dat de thyristor niet geleidt; Druk opnieuw op de knopschakelaar SB om een ​​triggerspanning op de bedieningspaal in te voeren. Het kleine lampje gaat branden, wat aangeeft dat de thyristor in geleiding is. Welke inspiratie heeft dit demonstratie-experiment ons gegeven?

Dit experiment vertelt ons dat om de thyristor geleidend te maken, men een voorwaartse spanning moet aanleggen tussen zijn anode A en kathode K, en de andere is om een ​​voorwaartse triggerspanning in te voeren tussen zijn stuurelektrode G en kathode K. Nadat de thyristor is ingeschakeld aan, laat de knopschakelaar los, verwijder de triggerspanning en handhaaf nog steeds de geleidingsstatus.

4 Kenmerken van SCR

Met een aanraking. Als er echter een sperspanning wordt aangelegd op de anode of stuurelektrode, kan de thyristor niet geleiden. De functie van de bedieningspool is om de thyristor in te schakelen door een voorwaartse triggerpuls toe te passen, maar deze kan niet worden uitgeschakeld. Dus, welke methode kan worden gebruikt om de geleidende thyristor uit te schakelen? Door de geleidende thyristor uit te schakelen, kan de anodevoeding (schakelaar S in figuur 3) worden losgekoppeld of kan de anodestroom worden teruggebracht tot de minimumwaarde die nodig is om de continuïteit te behouden (ook wel de onderhoudsstroom genoemd). Als er een wisselspanning of pulserende gelijkspanning wordt aangelegd tussen de anode en kathode van de thyristor, wordt de thyristor automatisch uitgeschakeld wanneer de spanning nul overschrijdt.

Applicatie type

Figuur 4 toont de karakteristieke curve van een bidirectionele thyristor.

Zoals weergegeven in de figuur, bestaat de karakteristieke curve van de bidirectionele thyristor uit curven binnen het eerste en derde kwadrant. De curve in het eerste kwadrant geeft aan dat wanneer de spanning die op de hoofdelektrode wordt aangelegd ervoor zorgt dat Tc een positieve polariteit ten opzichte van T1 heeft, dit de voorwaartse spanning wordt genoemd en wordt weergegeven door het symbool U21. Wanneer deze spanning geleidelijk toeneemt tot de keerpuntspanning UBO, activeert de thyristor aan de linkerkant van figuur 3 (b) de geleiding, en de aan-statusstroom op dit moment is I21, die van T2 naar Tl vloeit. Uit de figuur blijkt dat hoe groter de triggerstroom is, hoe lager de draaispanning. Deze situatie is consistent met de triggerende geleidingswet van een gewone thyristor. Wanneer de spanning die wordt aangelegd op de hoofdelektrode ervoor zorgt dat Tl een positieve polariteit heeft ten opzichte van T2, wordt dit een sperspanning genoemd en wordt weergegeven door het symbool U12. Wanneer deze spanning de spanningswaarde van het keerpunt bereikt, activeert de thyristor aan de rechterkant van figuur 3 (b) de geleiding, en de stroom is op dit moment I12, met een richting van T1 naar T2. Op dit punt wordt de karakteristieke curve van de bidirectionele thyristor weergegeven in het derde kwadrant van figuur 4.

Vier triggermethoden

Vanwege het feit dat deze op de hoofdelektrode van de bidirectionele thyristor kan worden geactiveerd en geleid, ongeacht of er een voorwaartse of achterwaartse spanning wordt toegepast, en of het triggersignaal voorwaarts of achterwaarts is, heeft deze de volgende vier triggermethoden: ( 1) Wanneer de door de hoofdelektrode T2 aan Tl aangelegde spanning een voorwaartse spanning is, is de spanning die door de stuurelektrode G aan de eerste elektrode Tl wordt aangelegd ook een voorwaarts triggersignaal (Figuur 5a). Nadat de bidirectionele thyristor de geleiding heeft geactiveerd, vloeit de richting van de stroom I2l van T2 naar T1. Uit de karakteristieke curve blijkt dat de geleidingswet van de bidirectionele thyristortrigger wordt uitgevoerd volgens de kenmerken van het tweede kwadrant, en omdat het triggersignaal in de voorwaartse richting is, wordt deze trigger de"eerste kwadrant voorwaartse trigger"of de I+trigger-methode. (2) Als de voorwaartse spanning nog steeds wordt toegepast op de hoofdelektrode T2 en het triggersignaal wordt gewijzigd in een omgekeerd signaal (Figuur 5b), dan is, nadat de bidirectionele thyristor de geleiding heeft geactiveerd, de richting van de aan-statusstroom nog steeds van T2 naar T1. Deze trigger noemen we de"negatieve trigger in het eerste kwadrant"of de I-trigger-methode. (3) Er worden twee hoofdelektroden aangelegd met een sperspanning U12 (figuur 5c) en er wordt een voorwaarts triggersignaal ingevoerd. Nadat de bidirectionele thyristor is ingeschakeld, vloeit de aan-statusstroom van T1 naar T2. De bidirectionele thyristor werkt volgens de karakteristieke curve van het derde kwadrant, daarom wordt deze trigger de III+trigger-methode genoemd. (4) De twee hoofdelektroden passen nog steeds sperspanning U12 toe en de ingang is een omgekeerd triggersignaal (Figuur 5d). Nadat de bidirectionele thyristor is ingeschakeld, vloeit de stroom nog steeds van T1 naar T2. Deze trigger wordt III touch genoemd

(4) De twee hoofdelektroden passen nog steeds sperspanning U12 toe en de ingang is een omgekeerd triggersignaal (Figuur 5d). Nadat de bidirectionele thyristor is ingeschakeld, vloeit de stroom nog steeds van T1 naar T2. Deze trigger wordt de III-triggermethode genoemd. Hoewel de bidirectionele thyristor de bovengenoemde vier triggermethoden heeft, zijn de triggerspanning en -stroom die nodig zijn voor het triggeren van negatieve signalen relatief klein. Het werk is relatief betrouwbaar, dus methoden voor negatieve triggering worden in de praktijk veel gebruikt.

5 Doel

Het meest elementaire gebruik van gewone thyristors is regelbare gelijkrichting. Het bekende diodegelijkrichtercircuit behoort tot een oncontroleerbaar gelijkrichtcircuit. Als de diode wordt vervangen door een thyristor, kan een regelbaar gelijkrichtcircuit worden gevormd. Als we als voorbeeld de eenvoudigste enkelfasige regelbare gelijkrichterschakeling met halve golf nemen, kan VS tijdens de positieve halve cyclus van de sinusoïdale wisselspanning U2, als de stuurpool van VS de triggerpuls Ug niet invoert, nog steeds niet geleiden. Alleen wanneer U2 zich in de positieve halve cyclus bevindt en de triggerpuls Ug op de stuurpool wordt toegepast, wordt de thyristor in geleiding gebracht. Teken de golfvormen (c) en (d), en alleen wanneer de triggerpuls Ug arriveert, zal er een spanning UL-uitvoer zijn op de belasting RL. Ug arriveert vroeg en de geleidingstijd van de thyristor is vroeg; Ug arriveerde laat en de geleidingstijd van de thyristor was later. Door het tijdstip te veranderen waarop de triggerpuls Ug bij de stuurpool arriveert, kan de gemiddelde uitgangsspanning UL op de belasting worden aangepast. In de elektrische technologie wordt de halve cyclus van wisselstroom vaak ingesteld op 180 °, ook wel de elektrische hoek genoemd. Op deze manier wordt de elektrische hoek die wordt ervaren tijdens elke positieve halve cyclus van U2 vanaf nul tot het moment dat de triggerpuls arriveert de stuurhoek α genoemd; de elektrische hoek waarbij de thyristor binnen elke positieve halve cyclus geleidt, wordt de geleidingshoek θ genoemd. Het is duidelijk dat α en θ beide worden gebruikt om het geleidings- of blokkeerbereik van thyristors weer te geven gedurende een halve cyclus van doorlaatspanning. Door de stuurhoek α of geleidingshoek θ te veranderen, door de gemiddelde waarde UL van de pulsgelijkspanning op de belasting te veranderen, wordt een regelbare gelijkrichting bereikt.

1: Kunststof ingekapselde bidirectionele siliciumgestuurde gelijkrichter met laag vermogen wordt vaak gebruikt als akoesto-optisch verlichtingssysteem. Nominale stroom: IA is minder dan 2A.

2: Groot; Middelgrote, met plastic afgedichte en met ijzer afgedichte thyristors worden vaak gebruikt als regelbare spanningsregelcircuits van het stroomtype. Zoals DC-voeding met instelbare uitgangsspanning, enz.

3: Hoogfrequente thyristor met hoog vermogen wordt vaak gebruikt in de industrie; Hoogfrequente smeltoven, enz