Silicio valdomas lygintuvas (SCR) – darbas, statyba, paleidimo metodai, tipai ir pritaikymas

Silicio valdomas lygintuvas (SCR) yra pagrindinis galios puslaidininkinis įtaisas, plačiai naudojamas aukštai įtampai ir srovei valdyti elektros ir pramoninėse sistemose. Dėl galimybės efektyviai perjungti ir reguliuoti galią jis naudingas keitikliuose, variklių pavarose ir automatikos grandinėse. Šiame straipsnyje aiškiai ir struktūrizuotai paaiškinama SCR konstrukcija, veikimo principas, charakteristikos, tipai ir praktinis pritaikymas.

Kas yra silicio valdomas lygintuvas (SCR)?

Silicio valdomas lygintuvas (SCR) yra trijų gnybtų galios puslaidininkinis įtaisas, naudojamas aukštai įtampai ir srovei elektros grandinėse valdyti ir perjungti. Tai tiristorių šeimos narys ir turi keturių sluoksnių PNPN struktūrą. Skirtingai nuo paprasto diodo, SCR leidžia valdyti perjungimą, nes jis įsijungia tik tada, kai įjungiamas vartų paleidimo signalas. Jis plačiai naudojamas kintamosios srovės / nuolatinės srovės keitikliuose, variklių pavarose, akumuliatorių įkrovikliuose ir pramoninėje automatikoje dėl didelio galios valdymo pajėgumo ir efektyvumo.

SCR konstrukcija ir simbolis

Silicio valdomas lygintuvas (SCR) yra pagamintas naudojant keturis pakaitinius P ir N tipo puslaidininkinių medžiagų sluoksnius, suformuojant PNPN struktūrą su trimis jungtimis: J1, J2 ir J3. Jame yra trys gnybtai:

• Anodas (A): prijungtas prie išorinio P sluoksnio

• Katodas (K): sujungtas su išoriniu N sluoksniu

• Vartai (G): prijungti prie vidinio P sluoksnio ir naudojami

Tarpusavyje, SCR gali būti modeliuojamas kaip du tarpusavyje sujungti tranzistoriai – vienas PNP ir vienas NPN – sudarantys regeneracinį grįžtamąjį ryšį. Ši vidinė struktūra paaiškina SCR fiksavimo elgesį, kai jis ir toliau veikia net pašalinus vartų signalą.

SCR simbolis primena diodą, tačiau jame yra vartų gnybtas valdymui. Srovė teka iš anodo į katodo, kai prietaisas suveikia per vartus.

SCR veikimas

SCR veikia trimis elektrinėmis būsenomis, pagrįstomis anodo-katodo įtampa ir vartų signalu:

Atvirkštinio blokavimo režimas

Kai anodas yra neigiamas katodo atžvilgiu, jungtys J1 ir J3 yra atvirkštinės. Teka tik nedidelė nuotėkio srovė. Viršijus atvirkštinę įtampos ribą, prietaisas gali būti sugadintas.

Blokavimo į priekį režimas (OFF būsena)

Kai anodas teigiamas, o katodas neigiamas, jungtys J1 ir J3 yra pakreiptos į priekį, o J2 - atvirkštinės. Šioje būsenoje SCR išlieka išjungtas, net jei įjungiamas priekinis tūristage, neleidžiantis tekėti srovei, kol nebus įjungtas gaidukas.

Priekinio laidumo režimas (ON būsena)

Taikant vartų impulsą į priekį, įpurškiami nešikliai, kad į priekį nukreipta jungtis J2, leidžianti laidumą. Įjungus, SCR užsifiksuoja ir toliau veikia net pašalinus vartų signalą, kol srovė išlieka virš laikymo srovės.

V-I SCR CHARAKTERISTIKOS

V-I charakteristika apibrėžia, kaip prietaiso srovė reaguoja į taikomą įtampą skirtinguose darbo regionuose:

• Atvirkštinio blokavimo sritis: minimali srovė teka atvirkštiniu poslinkiu, kol įvyksta gedimas.

• Priekinio blokavimo sritis: priekinė įtampa didėja, bet srovė išlieka maža, kol pasiekiama priekinė lūžio įtampa (VBO).

• Priekinio laidumo sritis: suaktyvinus vartų impulsą, SCR greitai pereina į mažos varžos ON būseną su nedideliu priekinės įtampos kritimu (1–2 V).

Didėjant vartų srovei, priekinė lūžio įtampa perkeliama žemyn, todėl galima anksčiau įjungti. Tai naudinga fazėmis valdomose kintamosios srovės grandinėse.

SCR perjungimo charakteristikos

Perjungimo charakteristikos apibūdina SCR elgesį pereinant iš OFF į ON būsenas:

• Įjungimo laikas (tonomis): laikas, reikalingas, kad SCR visiškai persijungtų iš OFF į ON po vartų impulso. Jį sudaro delsos laikas, pakilimo laikas ir sklaidos laikas. Greitesnis įjungimas užtikrina efektyvų keitiklių ir keitiklių perjungimą.

• Išjungimo laikas (tq): sustojus laidumui, SCR reikia laiko, kad atgautų priekinio blokavimo galimybę dėl saugomų įkrovimo nešiklių. Šis vėlavimas yra paklausus aukšto dažnio programose, o nuolatinės srovės sistemose reikalingos išorinės komutacijos grandinės.

SCR rūšys

SCR yra įvairių konstrukcijos stilių ir eksploatacinių klasių, kad atitiktų įvairių įtampos, srovės ir perjungimo programų reikalavimus. Žemiau pateikiami pagrindiniai SCR tipai, paaiškinti nenaudojant lentelės formato, kaip prašoma.

Diskretiškas plastikinis SCR

Tai mažas, mažos galios SCR, paprastai supakuotas į TO-92, TO-126 arba TO-220 korpusus. Jis yra ekonomiškas ir dažniausiai naudojamas silpnos srovės elektroninėse grandinėse. Šie SCR idealiai tinka paprastam kintamosios srovės perjungimui, mažos galios valdymo sistemoms, šviesos reguliatoriams ir akumuliatoriaus įkroviklio grandinėms.

Plastikinis modulis SCR

Šis tipas skirtas vidutinės ir didelės srovės valdymui. Jis uždarytas kompaktiškame plastikiniame modulyje, kuris užtikrina elektros izoliaciją ir lengvą montavimą. Šie SCR yra plačiai naudojami UPS sistemose, pramoniniuose galios valdymo blokuose, suvirinimo aparatuose ir variklių greičio reguliatoriuose.

Spaudos paketas SCR

Spaudos pakuotės SCR yra tvirti įrenginiai, įmontuoti į tvirtą metalinį diską panašų paketą. Jie pasižymi puikiomis šiluminėmis savybėmis ir didele srove ir nereikalauja litavimo. Vietoj to, jie yra prispaudžiami tarp slėgio radiatorių, todėl tinka didelio patikimumo reikmėms, tokioms kaip pramoninės pavaros, traukos sistemos, HVDC energijos perdavimas ir elektros tinklai.

Greitas perjungimas SCR

Greito perjungimo SCR, dar vadinami inverterio klasės SCR, yra skirti grandinėms, veikiančioms aukštesniais dažniais. Jie turi trumpą išjungimo laiką ir mažesnius perjungimo nuostolius, palyginti su standartiniais SCR. Šie įtaisai dažniausiai naudojami smulkintuvuose, nuolatinės ir nuolatinės srovės keitikliuose, aukšto dažnio keitikliuose ir impulsiniuose maitinimo šaltiniuose.

SCR įjungimo metodai

Įvairūs būdai, kaip suaktyvinti SCR laidumą, yra šie:

Vartų paleidimas (dažniausias): mažos galios vartų impulsas kontroliuojamai įjungia SCR. Naudojamas daugelyje pramoninių programų.

Priekinė įtampa suveikimas: Jei tiesioginė įtampa viršija lūžio įtampą, SCR įsijungia be vartų impulso, kurio paprastai vengiama dėl įrenginio įtempimo.

Terminis paleidimas (nepageidaujamas): perteklinė temperatūra gali netyčia pradėti laidumą; Reikia vengti netinkamo aušinimo.

Šviesos paleidimas (LASCR): šviesai jautrūs SCR naudoja fotonus, kad suaktyvintų laidumą aukštos įtampos izoliacijos programose.

dv/dt suveikimas (nepageidaujamas): staigus priekinės įtampos padidėjimas gali sukelti atsitiktinį įjungimą dėl sankryžos talpos. Snubber grandinės to išvengia.

SCR privalumai ir apribojimai

SCR privalumai

• Didelės galios ir įtampos valdymas: SCR gali valdyti didelius galios kiekius, dažnai nuo šimtų iki tūkstančių voltų ir amperų, todėl tinka sunkiosioms pramonės reikmėms, tokioms kaip variklių pavaros, HVDC perdavimas ir galios keitikliai.

• Didelis efektyvumas ir maži laidumo nuostoliai: Įjungus SCR, jis praleidžia su labai mažu įtampos kritimu (paprastai 1–2 voltai), todėl mažai išsklaidoma galia ir didelis veikimo efektyvumas.

• Mažas vartų srovės reikalavimas: prietaisui įjungti reikia tik nedidelės paleidimo srovės vartų gnybte, todėl paprasta mažos galios valdymo grandinė gali perjungti didelės galios apkrovas.

• Tvirta konstrukcija ir ekonomiškas dizainas: SCR yra mechaniškai tvirti, termiškai stabilūs ir sukurti taip, kad atlaikytų dideles viršįtampių sroves. Dėl paprastos vidinės struktūros jie taip pat yra palyginti nebrangūs, palyginti su kitais galios puslaidininkiniais jungikliais.

• Tinka kintamosios srovės valdymui: Kadangi SCR natūraliai išsijungia, kai kintamoji srovė kerta nulį (natūralus komutavimas), jie idealiai tinka kintamosios srovės fazės valdymo programoms, tokioms kaip šviesos reguliatoriai, šildytuvo valdikliai ir kintamosios srovės įtampos reguliatoriai.

SCR apribojimai

• Vienkryptis laidumas: SCR praleidžia srovę tik į priekį. Jis negali efektyviai blokuoti atvirkštinės srovės, nebent naudojamas su papildomais komponentais, tokiais kaip diodai, ribojant jo naudojimą kai kuriose kintamosios srovės valdymo grandinėse.

• Negalima išjungti naudojant vartų gnybtą: Nors SCR galima įjungti per vartus, jis nereaguoja į jokį vartų išjungimo signalą. Srovė turi nukristi žemiau laikymo srovės arba nuolatinės srovės grandinėse turi būti naudojama priverstinio komutavimo technika.

• Reikalingos komutacijos grandinės nuolatinės srovės programose: grynose nuolatinės srovės grandinėse SCR negauna natūralios srovės nulinio taško, kad išsijungtų. Reikalingos išorinės komutacijos grandinės, kurios padidina grandinės sudėtingumą ir kainą.

• Ribotas perjungimo greitis: SCR yra gana lėti, palyginti su šiuolaikiniais puslaidininkiniais jungikliais, tokiais kaip MOSFET ar IGBT. Dėl to jie netinka aukšto dažnio perjungimo programoms.

• Jautrus dideliam dv/dt ir viršįtampiui: staigus įtampos padidėjimas SCR arba per didelė trumpalaikė įtampa gali sukelti klaidingą įjungimą, o tai turi įtakos patikimumui. Norint išvengti uždegimo sutrikimų ir įrenginio gedimo, reikalingos snubber grandinės ir tinkami apsauginiai komponentai.

SCR taikymas

• Valdomi lygintuvai (kintamosios srovės keitikliai) – naudojami akumuliatoriaus įkrovimui ir kintamam nuolatinės srovės tiekimui.

• Kintamosios srovės įtampos valdikliai – šviesos reguliatoriai, ventiliatoriaus greičio valdikliai ir šildytuvo reguliatoriai.

• DC variklio greičio valdymas – naudojamas kintamo greičio nuolatinės srovės pavarose.

• Inverteriai ir keitikliai – nuolatinės srovės konvertavimui į kintamąją srovę.

• Apsauga nuo viršįtampio (laužtuvo grandinės) – apsaugo maitinimo šaltinius nuo įtampos šuolių.

• Statiniai jungikliai / kietojo kūno relės – greitas perjungimas be mechaninio nusidėvėjimo.

• Galios reguliatoriai – naudojami indukciniame šildyme ir pramoninėse krosnyse.

• Minkšti variklių starteriai – kontroliuoja įsijungimo srovę variklio užvedimo metu.

• Energijos perdavimo sistemos – naudojamos HVDC (aukštos įtampos nuolatinės srovės) sistemose.

SCR ir GTO palyginimas

Vartų išjungimo tiristorius (GTO) yra dar vienas tiristorių šeimos narys ir dažnai lyginamas su SCR.

SCR bandymas su ommetru

Prieš montuojant SCR į maitinimo grandinę, svarbu patikrinti, ar jis yra sveikas elektra. Sugedęs SCR gali sukelti trumpąjį jungimą arba visos sistemos gedimą. Pagrindinis testavimas gali būti atliekamas naudojant skaitmeninį arba analoginį multimetrą kartu su nedideliu nuolatinės srovės tiekimu, kad būtų galima suaktyvinti patikrinimą.

1 Vartų ir katodo sankryžos testas

Jie patikrina, ar vartų sankryža elgiasi kaip diodas.

• Nustatykite multimetrą į diodų bandymo režimą

• Prijunkite teigiamą (+) zondą prie vartų (G), o neigiamą (–) zondą prie katodo (K). Įprastas rodmuo rodo priekinį įtampos kritimą nuo 0,5 V iki 0,7 V

• Apverskite zondus (+ į K, – į G). Matuoklis turėtų rodyti OL (atvirą kilpą) arba labai didelį pasipriešinimą

Anodo ir katodo blokavimo testas

Tai užtikrina, kad SCR nebūtų sutrumpintas viduje.

• Laikykite multimetrą diodo arba pasipriešinimo režimu

• Prijunkite + zondą prie anodo (A) ir – zondą prie katodo (K). SCR turėtų blokuoti srovę ir rodyti atvirą grandinę (be laidumo)

• Apverskite zondus (+ į K, – į A). Skaitymas vis tiek turėtų būti atviras

SCR paleidimo (fiksavimo) testas

Tai patvirtina, ar SCR gali tinkamai įsijungti ir užsifiksuoti.

• Naudokite 6 V arba 9 V akumuliatorių su 1 kΩ rezistoriumi nuosekliai

• Prijunkite akumuliatorių + prie anodo (A) ir akumuliatoriaus – prie katodo (K)

• Trumpai prijunkite vartus (G) prie anodo per 100–220Ω rezistorių. SCR turėtų įsijungti ir užfiksuoti, kad srovė tekėtų net nuėmus vartų jungtį.

• Norėdami jį išjungti, atjunkite maitinimą – SCR atsirakins

Išvada

Silicio valdomas lygintuvas išlieka pagrindiniu galios valdymo sistemų komponentu dėl savo efektyvumo, didelio patikimumo ir gebėjimo atlaikyti dideles elektros apkrovas. Nuo kintamosios srovės įtampos reguliavimo iki nuolatinės srovės variklio valdymo ir pramoninių konversijos sistemų SCR ir toliau vaidina svarbų vaidmenį elektrotechnikoje. Tvirtas SCR pagrindų supratimas padeda kurti saugias ir efektyvias galios elektronines grandines.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

Kuo skiriasi SCR ir TRIAC?

TRIAC gali praleisti srovę abiem kryptimis ir yra naudojamas kintamosios srovės valdymo programose, tokiose kaip reguliatoriai ir ventiliatorių reguliatoriai. SCR praleidžia srovę tik viena kryptimi ir daugiausia naudojamas nuolatinės srovės valdymui ar ištaisymui.

Kodėl SCR reikalinga komutacijos grandinė?

Nuolatinės srovės grandinėse SCR negali išsijungti naudojant tik vartų gnybtą. Komutacijos grandinė priverčia srovę nukristi žemiau laikymo srovės, padedant SCR saugiai išsijungti.

Dėl ko SCR nepavyksta?

SCR gedimą dažniausiai sukelia viršįtampis, didelė viršįtampio srovė, netinkamas šilumos išsklaidymas arba dv/dt suaktyvintas klaidingas perjungimas. Naudojant snubber grandines ir radiatorius padeda išvengti gedimų.

Ar SCR gali valdyti kintamosios srovės maitinimą?

Taip, SCR gali valdyti kintamosios srovės maitinimą naudojant fazės kampo valdymą. Atidėjus vartų signalo šaudymo kampą kiekvieno kintamosios srovės ciklo metu, galima reguliuoti išėjimo įtampą ir apkrovai tiekiamą galią.

Kokia yra SCR laikymo srovė?

Laikymo srovė yra minimali srovė, reikalinga SCR išlaikyti ON būsenoje. Jei srovė nukrenta žemiau šio lygio, SCR automatiškai išsijungia, net jei jis anksčiau buvo suaktyvintas.