Wie Thyristoren (SCR) funktionieren - Tutorial

Grundsätzlich funktioniert ein SCR (Silicon Controlled Rectifier), der auch unter dem Namen Thyristor bekannt ist, ganz wie ein Transistor.

Wofür SCR steht

Das Gerät erhält seinen Namen (SCR) aufgrund seiner mehrschichtigen internen Halbleiterstruktur, die sich auf das Wort 'Silizium' am Anfang seines Namens bezieht.

Der zweite Teil des Namens 'Controlled' bezieht sich auf den Gate-Anschluss des Geräts, der mit einem externen Signal geschaltet wird, um die Aktivierung des Geräts zu steuern, und daher auf das Wort 'Controlled'.

Und der Begriff 'Gleichrichter' bezeichnet die Gleichrichtereigenschaft des SCR, wenn sein Gate ausgelöst wird und Strom über seine Anode zu den Kathodenanschlüssen fließen kann. Dies kann der Gleichrichtung mit einer Gleichrichterdiode ähnlich sein.

Die obige Erklärung macht deutlich, wie das Gerät wie ein 'Silicon Controlled Rectifier' funktioniert.

Obwohl ein SCR wie eine Diode gleichgerichtet ist und einen Transistor aufgrund seiner Triggerfunktion mit einem externen Signal imitiert, besteht eine interne SCR-Konfiguration aus einer vierschichtigen Halbleiteranordnung (PNPN), die im Gegensatz zu einer Diode aus 3 Reihen-PN-Übergängen besteht hat eine 2-Schicht (PN) oder einen Transistor, der eine Dreischicht (PNP / NPN) -Halbleiterkonfiguration enthält.

In der folgenden Abbildung finden Sie Informationen zum internen Layout der erläuterten Halbleiterübergänge und zur Funktionsweise von Thyristoren (SCR).

Eine weitere SCR-Eigenschaft, die eindeutig mit einer Diode übereinstimmt, sind ihre unidirektionalen Eigenschaften, die es ermöglichen, dass Strom nur in eine Richtung durch sie fließt und beim Einschalten von der anderen Seite blockiert, obwohl SCRs eine andere spezielle Natur haben, die den Betrieb ermöglicht als offener Schalter im ausgeschalteten Modus.

Diese beiden extremen Schaltmodi in SCRs hindern diese Geräte daran, Signale zu verstärken, und diese können nicht wie Transistoren zum Verstärken eines pulsierenden Signals verwendet werden.

Die siliziumgesteuerten Gleichrichter oder SCRs wie Triacs, Diacs oder UJTs haben alle die Eigenschaft, wie schnell schaltende Festkörper-Wechselstromschalter zu funktionieren, während sie ein bestimmtes Wechselstrompotential oder einen bestimmten Wechselstrom regeln.

Für Ingenieure und Bastler sind diese Geräte daher eine hervorragende Option für Halbleiterschalter, wenn es darum geht, Wechselstromschaltgeräte wie Lampen, Motoren und Dimmerschalter mit maximaler Effizienz zu regeln.

Ein SCR ist ein Halbleiterbauelement mit 3 Anschlüssen, die als Anode, Kathode und Gate zugeordnet sind und intern mit 3 PN-Übergängen hergestellt sind, die die Eigenschaft haben, mit einer sehr hohen Geschwindigkeit zu schalten.

Somit kann das Gerät mit jeder gewünschten Rate geschaltet und diskret EIN / AUS-Perioden eingestellt werden, um eine bestimmte durchschnittliche Ein- oder Ausschaltzeit für eine Last zu implementieren.

Technisch kann der Aufbau eines SCR oder eines Thyristors verstanden werden, indem man ihn mit ein paar Transistoren (BJT) vergleicht, die in der Reihenfolge von Rücken an Rücken verbunden sind, um sich wie ein komplementäres regeneratives Schalterpaar zu bilden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt ::

Thyristoren Zwei Transistor Analogie

Das Zwei-Transistor-Ersatzschaltbild zeigt, dass der Kollektorstrom des NPN-Transistors TR2 direkt in die Basis des PNP-Transistors TR1 eingespeist wird, während der Kollektorstrom von TR1 in die Basis von TR2 eingespeist wird.

Diese beiden miteinander verbundenen Transistoren sind für die Leitung aufeinander angewiesen, da jeder Transistor seinen Basis-Emitter-Strom vom Kollektor-Emitter-Strom des anderen erhält. Solange einer der Transistoren keinen Basisstrom erhält, kann nichts passieren, selbst wenn eine Anode-Kathode-Spannung vorliegt.

Die Simulation der SCR-Topologie mit einer Zwei-Transistor-Integration zeigt, dass die Formation so erfolgt, dass der Kollektorstrom des NPN-Transistors direkt an die Basis des PNP-Transistors TR1 geliefert wird, während der Kollektorstrom von TR1 die Versorgung mit dem verbindet Basis von TR2.

Die simulierte Konfiguration mit zwei Transistoren scheint die gegenseitige Leitung zu verriegeln und zu ergänzen, indem der Basisantrieb vom Kollektor-Emitter-Strom des anderen empfangen wird. Dies macht die Gate-Spannung sehr wichtig und stellt sicher, dass die gezeigte Konfiguration niemals leiten kann, bis ein Gate-Potential angelegt wird. Selbst in Gegenwart der Anode kann das Kathodenpotential bestehen bleiben.

In einer Situation, in der die Anodenleitung des Geräts negativer als die Kathode ist, kann der N-P-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt bleiben, wobei jedoch sichergestellt wird, dass die äußeren P-N-Übergänge in Sperrrichtung vorgespannt sind, so dass er wie eine Standardgleichrichterdiode wirkt.

Diese Eigenschaft eines SCR ermöglicht es ihm, einen Rückstromfluss zu blockieren, bis über die genannten Leitungen eine signifikant hohe Spannungsgröße angelegt wird, die über seine Schnabelspezifikationen hinausgeht, was den SCR dazu zwingt, auch ohne Gate-Ansteuerung zu leiten .

Das Obige bezieht sich auf eine kritische Eigenschaft von Thyristoren, die dazu führen kann, dass die Vorrichtung unerwünscht durch eine umgekehrte Hochspannungsspitze und / oder eine hohe Temperatur oder einen schnell zunehmend dv / dt-Spannungsübergang ausgelöst wird.

Nehmen wir nun an, dass in einer Situation, in der der Anodenanschluss in Bezug auf seine Kathodenleitung positiver ist, dies dazu beiträgt, dass der äußere PN-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, obwohl der zentrale N-P-Übergang weiterhin in Rückwärtsrichtung vorgespannt bleibt. Dies stellt folglich sicher, dass auch der Durchlassstrom blockiert wird.

Daher führt in dem Fall, dass ein positives Signal, das über die Basis des NPN-Transistors TR2 induziert wird, zum Durchgang des Kollektorstroms zur Basis f TR1 führt, was im Trun den Kollektorstrom dazu zwingt, zum PNP-Transistor TR1 zu fließen, wodurch der Basisantrieb von TR2 und der Prozess wird verstärkt.

Die obige Bedingung ermöglicht es den beiden Transistoren, ihre Leitung bis zum Sättigungspunkt aufgrund ihrer gezeigten Rückkopplungsschleife für die regenerative Konfiguration zu verbessern, die die Situation verriegelt und verriegelt hält.

Sobald der SCR ausgelöst wird, kann ein Strom von seiner Anode zur Kathode fließen, wobei nur ein minimaler Vorwärtswiderstand von etwa in den Pfad kommt, wodurch eine effiziente Leitung und ein effizienter Betrieb des Geräts sichergestellt werden.

Wenn der SCR einem Wechselstrom ausgesetzt wird, kann er beide Zyklen des Wechselstroms blockieren, bis dem SCR eine Auslösespannung über seinem Gate und seiner Kathode angeboten wird, die es dem positiven Halbzyklus des Wechselstroms sofort ermöglicht, über die Anodenkathodenleitungen und zu laufen Das Gerät beginnt mit der Nachahmung einer Standardgleichrichterdiode, aber nur solange der Gate-Trigger eingeschaltet bleibt, unterbricht die Leitung den Moment, in dem der Gate-Trigger entfernt wird.

Die erzwungenen Spannungs-Strom- oder I-V-Kennlinien für die Aktivierung eines siliziumgesteuerten Gleichrichters sind in der folgenden Abbildung zu sehen:

Thyristor-I-V-Charakteristikkurven

Bei einem Gleichstromeingang wird der Thyristor jedoch aufgrund der erklärten regenerativen Leitung, sobald er eingeschaltet wird, einer Verriegelungswirkung unterzogen, so dass die Anode-Kathoden-Leitung anhält und weiterleitet, selbst wenn der Gate-Trigger entfernt wird.

Somit verliert das Gate für eine Gleichstromversorgung vollständig seinen Einfluss, sobald der erste Auslöseimpuls über das Gate der Vorrichtung angelegt wird, wodurch ein zwischengespeicherter Strom von seiner Anode zur Kathode sichergestellt wird. Es kann durch kurzzeitiges Unterbrechen der Anoden- / Kathodenstromquelle unterbrochen werden, während das Gate vollständig inaktiv ist.

SCR kann nicht wie BJTs funktionieren

SCR sind nicht so ausgelegt, dass sie wie die Transistor-Gegenstücke vollkommen analog sind, und können daher nicht dazu gebracht werden, in einem aktiven Zwischenbereich für eine Last zu leiten, die irgendwo zwischen vollständiger Leitung und Ausschalten des Wettbewerbs liegt.

Dies gilt auch, weil der Gate-Trigger keinen Einfluss darauf hat, wie stark die Anode zur Kathode geleitet oder gesättigt werden kann. Daher reicht bereits ein kleiner kurzzeitiger Gate-Impuls aus, um die Leitung der Anode zur Kathode in einen vollständigen EIN-Schalter zu schalten.

Das obige Merkmal ermöglicht es, einen SCR zu vergleichen und als einen bistabilen Latch zu betrachten, der die zwei stabilen Zustände besitzt, entweder ein vollständiges EIN oder ein vollständiges AUS. Dies wird durch die zwei besonderen Eigenschaften des SCR als Reaktion auf einen Wechselstrom- oder Gleichstromeingang verursacht, wie in den obigen Abschnitten erläutert.

Verwendung des Gates eines SCR zur Steuerung seiner Umschaltung

Wie zuvor erläutert, kann ein SCR, sobald er mit einem Gleichstromeingang ausgelöst wurde und seine Anodenkathode selbst verriegelt ist, entweder durch kurzzeitiges vollständiges Entfernen der Anodenversorgungsquelle (Anodenstrom Ia) oder durch Reduzieren derselben auf einige entsperrt oder ausgeschaltet werden deutlich niedriger Pegel unter dem angegebenen Haltestrom des Gerätes oder dem 'minimalen Haltestrom' Ih.

Dies impliziert, dass der minimale Haltestrom von Anode zu Kathode reduziert werden sollte, bis die interne PN-Verriegelungsbindung des Thyristors in der Lage ist, sein natürliches Blockierungsmerkmal wieder in Aktion zu setzen.

Daher bedeutet dies auch, dass, damit ein SCR mit einem Gate-Trigger arbeitet oder leitet, der Laststrom von Anode zu Kathode unbedingt über dem angegebenen 'minimalen Haltestrom' Ih liegt, da der SCR sonst die Lastleitung möglicherweise nicht implementieren kann Wenn IL der Laststrom ist, muss dies IL> IH sein.

Wie bereits in den vorherigen Abschnitten erläutert, wird jedoch bei Verwendung eines Wechselstroms über die SCR-Anode.Cathode-Pins sichergestellt, dass der SCR den Latching-Effekt nicht ausführen kann, wenn der Gate-Antrieb entfernt wird.

Dies liegt daran, dass das Wechselstromsignal innerhalb seiner Nulldurchgangslinie ein- und ausgeschaltet wird, wodurch die SCR-Anode zum Kathodenstrom bei jeder 180-Grad-Verschiebung der positiven Halbwelle der Wechselstromwellenform ausgeschaltet bleibt.

Dieses Phänomen wird als 'natürliche Kommutierung' bezeichnet und ist für eine SCR-Leitung von entscheidender Bedeutung. Im Gegensatz dazu spielt diese Funktion bei Gleichstromversorgungen bei SCRs keine Rolle.

Da ein SCR jedoch so ausgelegt ist, dass er sich wie eine Gleichrichterdiode verhält, reagiert er effektiv nur auf die positiven Halbzyklen eines Wechselstroms und bleibt in Sperrrichtung vorgespannt und reagiert auch bei Vorhandensein eines Gatesignals nicht auf die andere Halbwelle des Wechselstroms.

Dies impliziert, dass bei Vorhandensein eines Gate-Triggers der SCR nur für die jeweiligen positiven Wechselstrom-Halbzyklen über seine Anode zur Kathode leitet und für die anderen Halbzyklen stumm bleibt.

Aufgrund des oben erläuterten Verriegelungsmerkmals und auch des Abschaltens während der anderen Halbwelle einer Wechselstromwellenform kann der SCR effektiv zum Zerhacken von Wechselstromzyklen verwendet werden, so dass die Last auf jeden gewünschten (einstellbaren) niedrigeren Leistungspegel geschaltet werden kann .

Diese Funktion wird auch als Phasensteuerung bezeichnet und kann durch ein externes Zeitsignal implementiert werden, das über das Gate des SCR angelegt wird. Dieses Signal entscheidet, nach wie viel Verzögerung der SCR ausgelöst werden kann, sobald die Wechselstromphase ihren positiven Halbzyklus begonnen hat.

Auf diese Weise kann nur der Teil der Wechselstromwelle geschaltet werden, der nach dem Gate-Trigger geleitet wird. Diese Phasensteuerung gehört zu den Hauptmerkmalen eines siliziumgesteuerten Thyristors.

Wie Thyristoren (SCR) bei der Phasensteuerung funktionieren, können Sie anhand der folgenden Bilder verstehen.

Das erste Diagramm zeigt einen SCR, dessen Gate permanent ausgelöst wird, wie im ersten Diagramm zu sehen ist. Dadurch kann die gesamte positive Wellenform von Anfang bis Ende initiiert werden, und zwar über die zentrale Nulldurchgangslinie.

Thyristor-Phasensteuerung

Zu Beginn jeder positiven Halbwelle ist der SCR „AUS“. Bei Induktion der Gate-Spannung wird der SCR in die Leitung aktiviert und kann während der gesamten positiven Halbwelle vollständig „EIN“ verriegelt werden. Wenn der Thyristor zu Beginn des Halbzyklus eingeschaltet wird (θ = 0o), ist die angeschlossene Last (eine Lampe oder eine ähnliche) für den gesamten positiven Zyklus der Wechselstromwellenform (halbwellengleichgerichteter Wechselstrom) eingeschaltet ) bei einer erhöhten Durchschnittsspannung von 0,318 x Vp.

Wenn die Initialisierung des Gate-Schalters ON während der Halbwelle angehoben wird (θ = 0o bis 90o), wird die angeschlossene Lampe für eine geringere Zeitdauer angezündet und die an die Lampe angelegte Nettospannung fällt ebenfalls proportional weniger stark ab.

In der Folge ist es einfach, einen siliziumgesteuerten Gleichrichter als Wechselstrom-Lichtdimmer und in vielen verschiedenen zusätzlichen Wechselstromanwendungen zu nutzen, zum Beispiel: Drehzahlregelung des Wechselstrommotors, Wärmesteuerungsvorrichtungen und Leistungsreglerschaltungen und so weiter.

Bisher haben wir gesehen, dass ein Thyristor im Grunde genommen ein Halbwellengerät ist, das nur in der positiven Hälfte des Zyklus Strom leiten kann, wenn die Anode positiv ist, und den Stromfluss wie eine Diode in Fällen verhindert, in denen die Anode negativ ist , auch wenn der Gate-Strom aktiv bleibt.

Dennoch finden Sie möglicherweise viele weitere Varianten ähnlicher Halbleiterprodukte zur Auswahl, die unter dem Titel „Thyristor“ ihren Ursprung haben und für den Betrieb in beide Richtungen der Halbzyklen oder Vollwelleneinheiten ausgelegt sind oder durch das Gate-Signal auf „AUS“ geschaltet werden können .

Diese Art von Produkten umfasst 'Gate-Ausschalt-Thyristoren' (GTO), 'Statische Induktions-Thyristoren' (SITH), 'MOS-gesteuerte Thyristoren' (MCT), 'Silizium-gesteuerter Schalter' (SCS), 'Triodenthyristoren' (TRIAC). und 'Light Triggered Thyristors' (LASCR), um einige zu identifizieren, wobei so viele dieser Geräte in vielen verschiedenen Spannungs- und Stromwerten zugänglich sind, was sie für den Einsatz bei sehr hohen Leistungsstufen interessant macht.

Thyristor-Arbeitsübersicht

Siliziumgesteuerte Gleichrichter, allgemein als Thyristoren bekannt, sind PNPN-Halbleiterbauelemente mit drei Übergängen, die als zwei miteinander verbundene Transistoren betrachtet werden können, die Sie zum Schalten von netzbetriebenen schweren elektrischen Lasten verwenden können.

Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie durch einen einzelnen positiven Stromimpuls, der an ihre Gate-Leitung angelegt wird, „EIN“ verriegelt werden. Sie können endlos eingeschaltet bleiben, bis der Strom von Anode zu Kathode unter das angegebene Mindestverriegelungsmaß gesenkt oder umgekehrt wird.

Statische Eigenschaften eines Thyristors

Thyristoren sind Halbleitergeräte, die so konfiguriert sind, dass sie nur in der Schaltfunktion funktionieren. Thyristoren sind stromgesteuerte Produkte, ein winziger Gate-Strom kann einen größeren Anodenstrom steuern. Aktiviert den Strom nur einmal in Vorwärtsrichtung vorgespannt und löst einen an das Gate angelegten Strom aus.

Der Thyristor arbeitet ähnlich wie eine Gleichrichterdiode, wenn er zufällig 'EIN' aktiviert wird. Der Anodenstrom muss mehr als der Dauerstrom sein, um die Leitung zu erhalten. Verhindert den Stromdurchgang im Falle einer Sperrvorspannung, unabhängig davon, ob ein Gate-Strom angelegt ist oder nicht.

Sobald 'ON' eingeschaltet wird, wird 'Latch' ausgeführt, unabhängig davon, ob ein Gate-Strom angelegt wird, jedoch nur für den Fall, dass der Anodenstrom über dem Latch-Strom liegt.

Thyristoren sind schnelle Schalter, mit denen Sie elektromechanische Relais in einer Reihe von Schaltkreisen ersetzen können, da sie einfach keine vibrierenden Teile, keine Kontaktlichtbögen oder Probleme mit Verschlechterung oder Schmutz aufweisen.

Zusätzlich zum einfachen Umschalten wesentlicher Ströme auf „EIN“ und „AUS“ können Thyristoren eingesetzt werden, um den Effektivwert eines Wechselstrom-Laststroms zu verwalten, ohne eine beträchtliche Menge an Leistung zu verbrauchen. Ein hervorragendes Beispiel für die Steuerung der Thyristorleistung ist die Steuerung der elektrischen Beleuchtung, der Heizungen und der Motordrehzahl.

Im nächsten Tutorial werden wir uns einige grundlegende ansehen Thyristorschaltungen und Anwendungen unter Verwendung von AC- und DC-Versorgungen.