Türistorite (SCR) töö - õpetus

Põhimõtteliselt töötab SCR (Silicon Controlled Rectifier), mida tuntakse ka nimega türistor, nagu transistor.

Mida SCR tähistab

Seade saab oma nime (SCR) tänu mitmekihilisele pooljuhi sisestruktuurile, mis viitab selle nime alguses olevale ränisõnale.

Nime „Kontrollitav” teine ​​osa viitab seadme väravaklemmile, mis lülitatakse seadme aktiveerimise juhtimiseks välise signaaliga ja sellest tulenevalt ka sõna „Kontrollitav”.

Ja termin „Alaldi” tähistab SCR-i parandusomadust, kui selle värav käivitatakse ja toitel lastakse voolata üle anoodi katoodi klemmideni, see võib olla sarnane alaldi dioodiga alaldusega.

Ülaltoodud selgitus teeb selgeks, kuidas seade töötab nagu „Silicon Controlled Rectifier”.

Ehkki SCR alaldab nagu diood ja jäljendab transistorit tänu välise signaaliga käivitavale funktsioonile, koosneb SCR-i sisemine konfiguratsioon neljakihilisest pooljuhtide paigutusest (PNPN), mis koosnevad 3-seeria PN-ristmikust, erinevalt dioodist on kahekihiline (PN) või transistor, mis sisaldab kolmekihilist (PNP / NPN) pooljuhi konfiguratsiooni.

Selgitatavate pooljuhtristmike sisemise paigutuse ja türistorite (SCR) töö mõistmiseks võite viidata järgmisele pildile.

Teine SCR-i omadus, mis sobib selgelt dioodiga, on selle ühesuunalised omadused, mis võimaldavad voolul voolata läbi selle ainult ühes suunas ja blokeerida sisselülitatuna teiselt poolt, öeldes, et SCR-idel on veel üks eriline olemus, mis võimaldab neid kasutada avatud lülitina väljalülitatud režiimis.

See kaks SCR-i äärmuslikku lülitusrežiimi piirab neid seadmeid signaalide võimendamisest ja neid ei saa pulseeriva signaali võimendamiseks kasutada nagu transistore.

Räniga juhitavad alaldid või SCR-id, nagu triaksid, diakoodid või UJT-d, millel kõigil on omadus toimida nagu tahke vahelduvvoolu kiirelülitid, reguleerides samal ajal antud vahelduvvoolu potentsiaali või voolu.

Nii et inseneride ja harrastajate jaoks saavad need seadmed suurepäraseks tahkislüliti võimaluseks, kui tegemist on vahelduvvoolu lülitusseadmete, näiteks lampide, mootorite, dimmerlülitite maksimaalse efektiivsusega reguleerimisega.

SCR on 3 klemmiga pooljuhtseade, mis on määratud anoodiks, katoodiks ja väravaks, mis omakorda on sisemiselt valmistatud 3 P-N ristmikuga, millel on omadus lülituda väga suurel kiirusel.

Seega saab seadet lülitada mis tahes soovitud kiirusega ja määrata diskreetselt sisse / välja perioodid konkreetse keskmise sisse- või väljalülitamise aja rakendamiseks koormusele.

Tehniliselt saab SCR-i või türistori paigutust mõista, kui võrrelda seda paari transistoriga (BJT), mis on ühendatud tagurpidi tagurpidi, moodustades nagu täiendav regeneratiivne lülitipaar, nagu on näidatud järgmisel pildil :

Türistorid kahe transistori analoogia

Kaks transistori ekvivalenti vooluahelat näitavad, et NPN-transistori TR2 kollektorivool toidab otse PNP-transistori TR1 alust, TR1-i kollektorivool aga TR2-alusele.

Need kaks omavahel ühendatud transistorit toetuvad juhtimiseks üksteisele, kuna iga transistor saab oma baas-emittervoolu teise kollektor-emittervoolust. Nii et kuni ühele transistorile ei anta alusvoolu, ei saa midagi juhtuda isegi anoodi-katoodi pinge olemasolul.

SCR topoloogia simuleerimine kahe transistori integreerimisega näitab, et moodustumine on selline, et NPN-transistori kollektorivool juhib otse PNP-transistori TR1 alusele, samal ajal kui TR1-kollektori vool ühendab toiteallikat TR2 alus.

Simuleeritud kaks transistori konfiguratsiooni näivad üksteist blokeerivat ja täiendavat juhtimist, saades baasketta teise kollektori emittervoolust, see muudab värava pinge väga oluliseks ja tagab, et näidatud konfiguratsioon ei saa kunagi toimida enne, kui rakendatakse värava potentsiaali, isegi anoodi juuresolekul võib katoodi potentsiaal olla püsiv.

Olukorras, kus seadme anoodi juhe on negatiivsem kui selle katood, võimaldab N-P ristmik jääda ettepoole kallutatud, kuid tagades, et välised P-N ristmikud oleksid vastupidiselt kallutatud nii, et see toimiks nagu tavaline alaldidiood.

See SCR omadus võimaldab tal blokeerida pöördvoolu voolu, kuni nimetatud juhtmetele tekitatakse märkimisväärselt suur pinge, mis võib olla üle selle noka allapoole jäävate spetsifikatsioonide, mis sunnib SCR-i käitama isegi värava ajami puudumisel .

Ülaltoodu viitab türistorite kriitilistele omadustele, mis võivad põhjustada seadme soovimatu käivitamise vastupidise kõrgepinge naelu ja / või kõrge temperatuuri või kiiresti kasvava dv / dt pinge transiendi kaudu.

Oletame nüüd, et olukorras, kus anoodklemm on oma katoodijuhtme suhtes positiivsemas olukorras, aitab see välisel P-N ristmikul muutuda ettepoole kallutatuks, ehkki keskne N-P ristmik on jätkuvalt vastupidine. See tagab järelikult, et ka edasivool on blokeeritud.

Seega, kui üle NPN-transistori TR2 aluse indutseeritud positiivne signaal põhjustab kollektorivoolu liikumise aluse f TR1 suunas, mis sunnib kollektorivoolu liikuma PNP-transistori TR1 suunas, suurendades TR2 baasajamit ja protsess tugevdatakse.

Ülaltoodud tingimus võimaldab kahel transistoril parandada nende juhtivust kuni küllastumispunktini tänu nende näidatud regeneratiivse konfiguratsiooni tagasiside kontuurile, mis hoiab olukorra lukus ja lukus.

Niipea kui SCR on käivitatud, laseb see voolu voolata oma anoodist katoodini ainult minimaalse ettepoole suunatud takistusega, mis läheneb teele, tagades seadme tõhusa juhtimise ja töö.

Vahelduvvoolule allutatuna võib SCR blokeerida mõlemad vahelduvvoolu stiilid, kuni SCR-i pakutakse käivitava pingega üle selle värava ja katoodi, mis võimaldab koheselt vahelduvvoolu positiivsel pooltsüklil läbida anoodkatoodi juhtmeid ja seade alustab tavalise alaldidioodi jäljendamist, kuid ainult seni, kuni värava päästik jääb sisselülitatuks, katkeb juhtivus värava päästiku eemaldamise hetkel.

Räniga juhitava alaldi aktiveerimise sunnitud pinge-voolu või I-V karakteristikute kõveraid võib näha järgmisel pildil:

Türistori I-V karakteristikute kõverad

Alalisvoolu sisendi korral läbib seletatud regeneratiivse juhtivuse tõttu niipea, kui türistor on sisse lülitatud, lukustusfunktsiooni, nii et katoodi juhtivuse anood hoiab kinni ja jätkab juhtimist isegi siis, kui värava päästik eemaldatakse.

Niisiis kaotab alalisvoolu korral värav oma mõju täielikult, kui kogu seadme väravale rakendatakse esimene käivitav impulss, mis tagab fikseeritud voolu selle anoodist katoodini. Selle võib katkestada anoodi / katoodi vooluallika hetkeline purustamine, kui värav on täielikult passiivne.

SCR ei saa töötada nagu BJT-d

SCR ei ole loodud ideaalselt analoogseteks nagu transistori analoogid ja seetõttu ei saa seda panna juhtima mõnes vahepealses aktiivpiirkonnas koormuse jaoks, mis võib olla kusagil täieliku juhtivuse ja võistlülituse VÄLJAS vahel.

See kehtib ka sellepärast, et värava päästik ei mõjuta seda, kui palju saab anoodi katoodi juhtimiseks või küllastamiseks panna, seega piisab isegi väikesest hetkelisest väravaimpulsist, et anood viia katoodi juhtivuseni täislülitiks.

Ülaltoodud funktsioon võimaldab SCR-i võrrelda ja seda pidada bistabiilse riivina, millel on kaks stabiilset olekut, kas täielik ON või OFF. Selle põhjuseks on SCR-i kaks eripära vastusena vahelduvvoolu või alalisvoolu sisenditele, nagu on selgitatud ülaltoodud jaotistes.

Kuidas kasutada SCR-i väravat selle vahetamise juhtimiseks

Nagu varem arutletud, võib SCR käivitada alalisvoolu sisendiga ja selle anoodkatood on iselukustuv, selle võib avada või välja lülitada kas anoodi toiteallika (anoodvool Ia) täieliku eemaldamise teel või selle vähendamise mõnele oluliselt madalamal tasemel kui seadme kindlaksmääratud hoovus või minimaalne hoovus Ih.

See tähendab, et anoodi kuni katoodi minimaalset hoovust tuleks vähendada seni, kuni türistorite sisemine P-N-lukustusside suudab taastada oma loomuliku blokeerimisfunktsiooni.

Seetõttu tähendab see ka seda, et SCR-i töötamiseks või juhtimiseks värava päästikuga on hädavajalik, et katoodi koormusvoolu anood ületaks kindlaksmääratud minimaalse hoovusvoolu Ih, vastasel juhul ei pruugi SCR koormuse juhtimist teostada, seetõttu kui IL on koormusvool, peab see olema nagu IL> IH.

Kuid nagu eelmistes lõikudes juba käsitletud, tagab ACR-i kasutamisel vahelduvvoolu kogu SCR-anoodil. Katoodi tihvtid tagavad, et SCR-l ei ole lubatud värava draivi eemaldamisel fikseerivat efekti täita.

Seda seetõttu, et vahelduvvoolu signaal lülitub sisse ja välja oma nulljoone piires, mis hoiab SCR-anoodi katoodivoolu väljalülitamisel vahelduvvoolu lainekuju positiivse pooltsükli iga 180-kraadise nihke korral.

Seda nähtust nimetatakse 'loomulikuks kommutatsiooniks' ja see omab SCR juhtivusele olulist omadust. Vastupidiselt DC-toiteallikatele muutub see funktsioon SCR-ide puhul ebaoluliseks.

Kuid kuna SCR on kavandatud käituma nagu alaldidiood, reageerib see tõhusalt ainult vahelduvvoolu positiivsetele pooltsüklitele ja jääb vastupidiseks erapoolikuks ja täielikult reageerimata vahelduvvoolu teisele pooltsüklile isegi väravasignaali olemasolul.

See tähendab, et värava päästiku juuresolekul juhib SCR kogu anoodi katoodiks ainult vastavate positiivsete vahelduvvoolu pooltsüklite jaoks ja ülejäänud pooltsüklite vältel jääb vaigistatud.

Eelpool selgitatud lukustusfunktsiooni ja ka vahelduvvoolu lainekuju teise poolperioodi vältel toimuva lõikamise tõttu saab SCR-i efektiivselt kasutada vahelduvvoolu tsüklite tükeldamiseks, nii et koormust saab lülitada mis tahes soovitud (reguleeritava) madalama võimsustaseme korral .

Tuntud ka kui faasijuhtimine, saab seda funktsiooni rakendada välise ajastatud signaali kaudu, mis rakendatakse üle SCR-i värava. See signaal otsustab pärast seda, kui palju viivitust võib SCR vallandada, kui vahelduvvoolu faas on alustanud oma positiivset pooltsüklit.

Seega võimaldab see lülitada ainult seda vahelduvvoolu laine osa, mis möödub pärast värava päästikut .. see faasijuhtimine on räni abil juhitava türistori põhiomaduste hulgas.

Kuidas türistorid (SCR) faaside juhtimisel töötavad, võib mõista allpool toodud pilte vaadates.

Esimene diagramm näitab SCR-i, mille värav on püsivalt käivitatud, nagu võib näha esimesest diagrammist, mis võimaldab täieliku positiivse lainekuju algusest lõpuni käivitada, mis ületab kogu keskmist nulljoont.

Türistori faaside juhtimine

Iga positiivse pooltsükli alguses on SCR “OFF”. Värava induktsioonil aktiveerib SCR juhtivuseks ja võimaldab selle kogu positiivse poolperioodi vältel täielikult lukustada “ON”. Kui türistor lülitatakse pooltsükli alguses sisse (θ = 0o), oleks ühendatud koormus (lamp või muu sarnane) kogu vahelduvvoolu lainekuju positiivse tsükli (poollaine alaldatud vahelduvvool) korral ) kõrgendatud keskmise pinge korral 0,318 x Vp.

Kuna värava lüliti sisselülitamise asendit ON tõstetakse pooltsükli jooksul (θ = 0o kuni 90o), süttib ühendatud lamp väiksema aja jooksul ja lambile viidud netopinge langetab samuti proportsionaalselt vähem selle intensiivsust.

Järgnevalt on räni abil juhitavat alaldit lihtne kasutada vahelduvvoolu valgustugevuse reguleerijana ja paljudes erinevates täiendavates vahelduvvooluallikate rakendustes, näiteks: vahelduvvoolu mootori kiiruse reguleerimine, soojuse reguleerimise seadmed ja võimsuse regulaatori ahelad jne.

Siiani oleme näinud, et türistor on põhimõtteliselt poollaine seade, mis on võimeline läbima voolu ainult tsükli positiivses pooles, kui anood on positiivne, ja takistab voolu nagu diood juhul, kui anood on negatiivne , isegi kui värava vool jääb aktiivseks.

Sellegipoolest võite leida palju rohkem sarnaste pooljuhttoodete variante, mille hulgast pärinevad pealkiri „türistor“, mis on mõeldud töötama pooltsüklite mõlemas suunas, täislaineüksustes või mille saab värava signaali abil välja lülitada .

Sellistesse toodetesse kuuluvad „värava väljalülitatavad türistorid” (GTO), „staatilised induktsioontüristorid” (SITH), „MOS-i juhitavad türistorid” (MCT), „räni abil juhitavad lülitid” (SCS), „trioodsed türistorid” (TRIAC) ja „Valguse poolt käivitatavad türistorid” (LASCR), et tuvastada väheseid, kusjuures nii paljudele nendele seadmetele on juurdepääs mitmel erineval pinge- ja voolutugevusel, mistõttu on neid huvitav kasutada väga kõrgel võimsustasemel.

Türistori tööülevaade

Räniga juhitavad alaldid, mida tavaliselt nimetatakse türistoriteks, on kolme ristmikuga PNPN-pooljuhtseadised, mida võib pidada kaheks omavahel ühendatud transistoriks, mida saate kasutada võrgus töötavate raskete elektriliste koormuste ümberlülitamisel.

Neid iseloomustatakse lukustatuna - “ON” - nende värava juhtmele rakendatava ühe positiivse voolu impulsiga ja nad võivad jätkata “ON” olekut seni, kuni anood-katood vool väheneb nende määratud minimaalsest lukustusmõõdust madalamale või vastupidiseks.

Türistori staatilised atribuudid

Türistorid on pooljuhtseadmed, mis on konfigureeritud töötama ainult lülitusfunktsioonis. Türistor on vooluga juhitavad tooted, väike väravavool suudab juhtida olulisemat anoodvoolu. Lubab voolu ainult siis, kui väravale rakendatakse ettepoole kallutatud ja käivitavat voolu.

Türistor töötab sarnaselt alaldidioodiga alati, kui see juhtub olema sisse lülitatud. Anoodivool peab juhtivuse säilitamiseks olema rohkem kui praeguse väärtuse säilitamine. Takistab vastupidise kallutatuse korral praeguse läbipääsu, olenemata sellest, kas värav on sisse lülitatud või mitte.

Niipea, kui see on sisse lülitatud, lülitub lukustatud olek sisse, olenemata sellest, kas rakendatakse väravavoolu, kuid ainult juhul, kui anoodvool on üle lukustusvoolu.

Türistorid on kiired lülitid, mida saate kasutada elektromehaaniliste releede asendamiseks paljudes ahelates, kuna neil lihtsalt pole vibreerivaid osi, puudub kontaktkaar või neil on probleeme riknemise või mustusega.

Kuid lisaks oluliste voolude lihtsalt sisse- ja väljalülitamisele saab türistore saavutada ka vahelduvvoolu koormusvoolu RMS-väärtuse haldamiseks, ilma et oleks vaja märkimisväärset võimsust hajutada. Türistori võimsuse juhtimise suurepärane näide on elektrivalgustuse, kütteseadmete ja mootori kiiruse juhtimine.

Järgmises õpetuses vaatame põhitõdesid Türistorahelad ja rakendused kasutades nii vahelduv- kui alalisvoolu toite.