Кремниевые управляемые выпрямители (SCR/тиристоры): проектирование, работа и практические применения

Диоды Шокли и Кремниевые Управляемые Выпрямители (SCR)

Диоды Шокли, хотя ограниченные в применении, могут быть преобразованы в мощные усилительные приборы — называемые кремниевыми управляемыми выпрямителями (SCR) — добавлением единственного механизма защелкивания. Этот третий вывод, затвор, позволяет прибору защелкиваться в проводимости с минимальным затворным управлением, эффективно превращая пассивный диод в активный ключ.

Переход от диода Шокли к SCR достигается присоединением дополнительного провода к существующей PNPN структуре, создавая классический четырехвыводной тиристор, показанный ниже.

Кремниевый Управляемый Выпрямитель (SCR/Тиристор)

Проводимость SCR

Когда затвор оставлен висячим, SCR ведет себя идентично диоду Шокли, полагаясь на пробойное напряжение или быстрый нарастание напряжения между анодом и катодом для защелкивания. Однако, приложив небольшое напряжение между затвором и катодом, база нижнего транзистора управляется включением, вызывая проведение верхнего транзистора. Результирующий базовый ток от верхнего транзистора поддерживает нижний транзистор, устраняя необходимость в продолжении затворного управления. Поскольку затворный ток на порядки меньше анодно-катодного тока, SCR демонстрирует истинное усиление.

Срабатывание/Запуск

На практике наиболее распространенный способ защелкивания SCR — намеренное затворное срабатывание. Производители выбирают приборы с пробойными напряжениями значительно выше максимального напряжения питания, так что SCR может быть включен только намеренным затворным импульсом. Это обеспечивает надежную работу в приложениях управления мощностью.

Обратное срабатывание

SCR могут быть отключены замыканием затвора на катод или обратным срабатыванием затвора отрицательным напряжением. Однако этот метод требует существенного затворного тока, потому что он должен отвести весь коллекторный ток верхнего транзистора. Затворно-выключаемые тиристоры (GTO) спроектированы для более легкого выключения, но даже они часто требуют затворных токов до 20% анодного тока. Символ GTO изображен ниже.

Затворно-Выключаемый Тиристор (GTO)

SCR против GTO

Оба прибора разделяют ту же двухтранзисторную топологию, но GTO имеют NPN транзистор с более высоким β, позволяя меньшему затворному току управлять прибором. Это усиленное управление — почему GTO иногда называют Затворно-Управляемыми Коммутаторами (GCS).

Тестирование функциональности SCR омметром

Быстрый способ идентификации выводов SCR — использование омметра. Поскольку затвор-катодный путь содержит единственный PN-переход, измеритель должен показывать проводимость, когда красный щуп на затворе и черный на катоде, как изображено:

Первичный тест SCR

Все остальные пары выводов покажут разомкнутую цепь. Обратите внимание, что этот тест лишь грубая проверка; дефектный SCR может все еще показывать правильную проводимость. Комплексное тестирование требует нагрузки прибора и измерения его вольт-амперных характеристик.

На мультиметрах с функцией проверки диода затвор-катодное напряжение может быть ниже типичных 0,7 В для кремниевого перехода, если присутствует внутренний затвор-катодный резистор. Этот резистор, распространенный в более крупных SCR, защищает от случайного срабатывания от шумов или статического разряда. Он также заставляет измеритель показывать проводимость в обоих направлениях между затвором и катодом.

Большие SCR имеют затвор-катодный резистор.

Чувствительные к затвору SCR

SCR без внутреннего резистора называются чувствительными к затвору, потому что малый положительный затворный импульс может их защелкнуть. Практическая диагностическая схема для таких SCR показана ниже, использующая DC питание и две кнопки: одну для срабатывания и одну для освобождения затвора.

Схема тестирования SCR

Нажатие кнопки «вкл» соединяет затвор с анодом, позволяя кратковременный затворный ток сработать SCR. После защелкивания нагрузка остается питаемой даже после отпускания кнопки. Кнопка «выкл» разрывает затворное соединение, заставляя SCR в выключение и отключая нагрузку.

Удерживающий ток

Если SCR не защелкивается, проблема может быть в нагрузке. У каждого SCR есть минимальный удерживающий ток — типично между 1 мА и 50 мА для крупных блоков — необходимый для поддержания проводимости после остановки затворного управления. Даташиты производителей, таких как ABB, Siemens или ON-Semiconductor, предоставляют точные значения удерживающего тока для конкретных номеров деталей.

Более комплексный тест включает измерение прямого пробойного напряжения повышением DC питания до самостоятельного защелкивания SCR, или использование импульсного генератора для оценки критической скорости нарастания напряжения. Обратите внимание, что многие силовые SCR имеют пробойные номиналы 600 В и выше.

За пределами диагностики, эта простая тестовая схема может служить пусково-остановочным контролем для DC нагрузок, таких как моторы или лампы, как проиллюстрировано:

DC мотор пуск/остановка схема управления

Схема «Кровобор» (Crowbar)

Схема кровобор использует SCR параллельно с DC источником питания для создания контролируемого короткого замыкания в случае перенапряжения. Предохранитель или последовательный резистор ограничивает аварийный ток, защищая питание и SCR. Затвор управляется напряжением-сенсирующей схемой, срабатывающей SCR когда выходное напряжение превышает заданный порог.

Схема кровобор в DC источнике питания

SCR в управлении AC мощностью

Хотя SCR по своей природе DC приборы, они широко используются для управления AC мощностью. В AC цепи прибор проводит только во время положительной полуволны, когда анод более положителен чем катод. На нулевом переходе естественная коммутация выключает SCR, позволяя сработать ему снова на следующей полуволне. Это приводит к обрезанной синусоиде, чья скважность может быть настроена контролем угла затворного срабатывания.

Диак, двунаправленный гистерезисный прибор, демонстрирует этот принцип: как только его пробойное напряжение превышено, он проводит до падения тока до нуля. В противовес, угол срабатывания SCR может быть точно задан затворным управлением.

Диак двунаправленный отклик

Для полноволнового управления два SCR обычно соединяются антипараллельно или в мостовой конфигурации. Импульсные трансформаторы или изолированные затворные драйверы используются для подачи затворных импульсов, когда катоды SCR не общие.

Трансформаторная связь триггерного сигнала обеспечивает изоляцию.

Управляемые мостовые выпрямители могут быть одно- или трехфазными. В трехфазном дизайне каждая фаза использует два SCR в мосту, позволяя точное управление мощностью по всем фазам.

Трехфазный мост SCR управления нагрузкой

Ключевые выводы

• Добавление затворного вывода превращает диод Шокли в SCR, обеспечивая защелкивающуюся коммутацию.
• Затворное срабатывание использует крошечный ток для защелкивания прибора; пробой и dv/dt срабатывание — альтернативы, но менее надежные.
• Обратное срабатывание может выключить SCR, но требует больших затворных токов; GTO упрощают этот процесс.
• Омметр тесты идентифицируют затвор-катодную проводимость, но должны следовать нагрузочным тестам.
• Удерживающий ток критичен; консультируйтесь с даташитами для конкретных значений.
• SCR — ядро управления AC мощностью и схем кровобор защиты.
• Правильные затворные драйверы и изоляционные трансформаторы существенны для много-SCR систем.

Связанные ресурсы

• Рабочий лист по тиристорам