Silicon Controlled Rectifier (SCR) – Working, Construction, Triggering Methods, Types & Applications

Silicijumski kontrolisani ispravljač (SCR) je ključni poluprovodnički uređaj koji se široko koristi za kontrolu visokog napona i struje u električnim i industrijskim sistemima. Njegova sposobnost da efikasno prebaci i reguliše snagu čini ga korisnim u pretvaračima, motornim pogonima i automatskim krugovima. Ovaj članak objašnjava SCR konstrukciju, princip rada, karakteristike, tipove i praktične primene na jasan i strukturiran način.

Šta je silicijumski kontrolisani ispravljač (SCR)?

Silicijumski kontrolisani ispravljač (SCR) je poluprovodnički uređaj sa tri terminala koji se koristi za kontrolu i prebacivanje visokog napona i struje u električnim kolima. Član je porodice tiristora i ima četvoroslojnu PNPN strukturu. Za razliku od jednostavne diode, SCR omogućava kontrolisano prebacivanje jer se uključuje samo kada se primenjuje signal okidača kapije. Ima široku primenu u AC / DC pretvarača, motornih pogona, punjača baterija i industrijske automatizacije zbog svoje visoke sposobnosti i efikasnosti rukovanja snagom.

Konstrukcija i simbol SCR

Silicijumski kontrolisani ispravljač (SCR) izgrađen je korišćenjem četiri alternativna sloja poluprovodničkih materijala P-tipa i N-tipa, formirajući PNPN strukturu sa tri spoja: J1, J2 i J3. Ima tri terminala:

• Anoda (A): Povezan sa spoljašnjim P-slojem

• Katoda (K): Povezan sa spoljašnjim N-slojem

• Kapija (G): Povezan sa unutrašnjim P-slojem i koristi se za aktiviranje

Među, SCR se može modelirati kao dva međusobno povezana tranzistora - jedan PNP i jedan NPN - formirajući regenerativnu povratnu spregu. Ova unutrašnja struktura objašnjava ponašanje zaključavanja SCR-a, gde nastavlja da sprovodi čak i nakon što je uklonjen signal kapije.

SCR simbol podseća na diodu, ali uključuje terminal za kontrolu. Struja teče od anode do katode kada se uređaj aktivira kroz kapiju.

Rad SCR

SCR radi u tri električna stanja na osnovu napona anode-katode i signala kapije:

Obrnuti režim blokiranja

Kada je anoda negativna u odnosu na katodu, spojevi J1 i J3 su obrnuto pristrasni. Teče samo mala struja curenja. Prekoračenje granice obrnutog napona može oštetiti uređaj.

Režim blokiranja napred (OFF State)

Sa anodom pozitivnom i katodom negativnom, raskrsnice J1 i J3 su napred pristrasne, dok je J2 obrnuto pristrasna. SCR ostaje isključen u ovom stanju, iako se primenjuje napredni napon, sprečavajući protok struje dok se ne obezbedi okidač.

Režim napredne provodljivosti (ON State)

Primena kapije impuls u napred pristrasnosti ubrizgava nosače koji napred-pristrasnost spoj J2, omogućavajući provodljivost. Kada je uključen, SCR se zaključava i nastavlja da sprovodi čak i nakon što je uklonjen signal kapije, sve dok struja ostaje iznad struje držanja.

V-I Karakteristike SCR

V-I karakteristika definiše kako struja uređaja reaguje na primenjeni napon u različitim radnim regionima:

• Reverse Blocking Region: Minimalna struja teče pod obrnutom pristrasnošću dok ne dođe do kvara.

• Napred blokiranje regiona: Napredni napon se povećava, ali struja ostaje niska dok se ne postigne napredni napon (VBO).

• Napredna provodna regija: Nakon aktiviranja impulsom kapije, SCR brzo prelazi u stanje niskog otpora ON sa malim padom napona napred (1–2V).

Povećanje struje kapije pomera napred probojni napon niže, omogućavajući ranije uključivanje. Ovo je korisno u fazno kontrolisanim AC kolima.

Svitching karakteristike SCR

Karakteristike prebacivanja opisuju ponašanje SCR-a tokom prelaza između OFF i ON stanja:

• Vreme uključivanja (tona): Vreme potrebno da se SCR u potpunosti prebaci sa OFF na ON nakon impulsa kapije. Sastoji se od vremena kašnjenja, vremena porasta i vremena širenja. Brže uključivanje obezbeđuje efikasno prebacivanje u pretvaračima i pretvaračima.

• Vreme isključivanja (tq): Nakon što se provodljivost zaustavi, SCR-u je potrebno vreme da povrati svoju sposobnost blokiranja napred zbog uskladištenih nosača naboja. Ovo kašnjenje je traženo u visokofrekventnim aplikacijama, a eksterni komutacioni krugovi su potrebni u DC sistemima.

Vrste SCR

SCR su dostupni u različitim stilovima konstrukcije i klase performansi kako bi zadovoljili zahteve različitih napona, struje i prebacivanja aplikacija. U nastavku su objašnjeni glavni tipovi SCR-a bez upotrebe formata tabele, kao što je zatraženo.

Diskretna plastika SCR

Ovo je mali, male snage SCR obično upakovan u TO-92, TO-126, ili TO-220 kućišta. To je ekonomičan i obično se koristi u elektronskim kolima slabe struje. Ovi SCR-ovi su idealni za jednostavno prebacivanje naizmenične struje, kontrolne sisteme male snage, prigušivače svetlosti i kola punjača baterija.

Plastični modul SCR

Ovaj tip je dizajniran za srednje do visoke struje rukovanje. Zatvoren je u kompaktnom plastičnom modulu koji obezbeđuje električnu izolaciju i jednostavnu montažu. Ovi SCR-ovi se široko koriste u UPS sistemima, industrijskim jedinicama za kontrolu snage, aparatima za zavarivanje i regulatorima brzine motora.

Štampa Pack SCR

Press pack SCR su uređaji za teške uslove rada ugrađeni u robusnom metalnom pakovanju nalik disku. Oni nude odlične toplotne performanse i visoku struju sposobnost i ne zahtevaju lemljenje. Umesto toga, oni su stegnuti između hladnjaka pod pritiskom, što ih čini pogodnim za aplikacije visoke pouzdanosti, kao što su industrijski pogoni, vučni sistemi, HVDC prenos energije i elektroenergetske mreže.

Brzo prebacivanje SCR

Brzo prebacivanje SCR, koji se nazivaju i inverterski SCR, dizajnirani su za kola koja rade na višim frekvencijama. Imaju kratko vreme isključivanja i smanjene gubitke prebacivanja u poređenju sa standardnim SCR-ovima. Ovi uređaji se obično koriste u helikopterima, DC-DC pretvaračima, visokofrekventnim pretvaračima i impulsnim napajanjima.

Uključite metode SCR-a

Različiti načini za pokretanje SCR-a u provodljivost uključuju:

Okidanje kapije (najčešće): Impuls kapije male snage uključuje SCR na kontrolisan način. Koristi se u većini industrijskih aplikacija.

Aktiviranje naprednog napona: Ako napredni napon prelazi napon prekida, SCR se uključuje bez impulsa kapije, što se uglavnom izbegava zbog stresa na uređaju.

Termalno okidanje (neželjeno): Višak temperature može nenamerno početi provodljivost; Mora se izbegavati nepravilno hlađenje.

Light Triggering (LASCR): Svetlosni osetljivi SCR koriste fotone za pokretanje provodljivosti u visokonaponskim izolacionim aplikacijama.

DV / DT Okidanje (neželjeno): Brz porast naprednog napona može izazvati slučajno uključivanje zbog kapaciteta spoja. Snubber kola to sprečavaju.

Prednosti i ograničenja SCR-a

Prednosti SCR

• Rukovanje velikom snagom i naponom: SCR-ovi su sposobni da kontrolišu velike količine energije, često u rasponu od stotina do hiljada volti i ampera, što ih čini pogodnim za teške industrijske primene kao što su motorni pogoni, HVDC prenos i pretvarači snage.

• Visoka efikasnost i niski gubici provodljivosti: Kada se uključi, SCR sprovodi sa veoma malim padom napona (obično 1-2 volta), što rezultira malim rasipanjem snage i visokom operativnom efikasnošću.

• Zahtev za struju male kapije: Uređaju je potrebna samo mala struja okidanja na terminalu kapije da bi se uključio, omogućavajući jednostavnim kontrolnim kolima male snage za prebacivanje opterećenja velike snage.

• Robusna konstrukcija i ekonomičan dizajn: SCR su mehanički robusni, termički stabilni i dizajnirani da izdrže velike udarne struje. Njihova jednostavna unutrašnja struktura takođe ih čini relativno jeftinim u poređenju sa drugim poluprovodničkim prekidačima.

• Pogodno za kontrolu naizmenične struje: Pošto se SCR prirodno isključuju kada AC struja pređe nulu (prirodna komutacija), idealni su za aplikacije za kontrolu AC faze kao što su prigušivači svetla, kontroleri grejača i regulatori naizmeničnog napona.

Ograničenja SCR

• Jednosmerna provodljivost: SCR sprovodi struju samo u smeru napred. Ne može efikasno blokirati obrnutu struju, osim ako se ne koristi sa dodatnim komponentama kao što su diode, ograničavajući njegovu upotrebu u nekim kontrolnim krugovima naizmenične struje.

• Ne može se isključiti pomoću terminala kapije: Iako se SCR može aktivirati preko kapije, on ne reaguje na bilo koji signal kapije za isključivanje. Struja mora pasti ispod struje držanja ili tehnika prisilne zamene mora da se koristi u DC kola.

• Zahteva komutaciona kola u DC aplikacijama: U čistim DC kolima, SCR ne dobija prirodnu struju nulte tačke za isključivanje. Eksterni komutacioni krugovi su potrebni, povećavajući složenost kola i troškove.

• Ograničena brzina prebacivanja: SCR-ovi su relativno spori u poređenju sa modernim poluprovodničkim prekidačima kao što su MOSFET-ovi ili IGBT-ovi. To ih čini neprikladnim za visokofrekventne preklopne aplikacije.

• Osetljiv na visoke dv / dt i prenaponske uslove: Brz porast napona preko SCR ili prekomerni prelazni napon može pokrenuti lažno uključivanje, utičući na pouzdanost. Snubber kola i odgovarajuće zaštitne komponente su potrebni kako bi se sprečilo misfireing i kvar uređaja.

Primene SCR

• Kontrolisani ispravljači (AC na DC pretvarači) – Koristi se u punjenju baterija i promenljivim DC napajanjima.

• Regulatori napona naizmenične struje – Prigušivači svetla, kontrole brzine ventilatora i regulatori grejanja.

• DC Motor Speed Control – Koristi se u DC pogonima sa promenljivom brzinom.

• Inverteri i pretvarači – Za konverziju jednosmerne u naizmenične struje.

• Overvoltage Protection (Crowbar Circuits) – Štiti napajanja od prenaponskih napona.

• Statički prekidači / Solid State releji – Brzo prebacivanje bez mehaničkog habanja.

• Regulatori snage – Koristi se u indukcijskom grejanju i industrijskim pećima.

• Soft Starters for Motors – Kontroliše struju pod pritiskom tokom pokretanja motora.

• Sistemi za prenos energije – Koristi se u HVDC (High Voltage Direct Current) sistemima.

SCR vs GTO Poređenje

Kapija Turn-Off Tiristor (GTO) je još jedan član porodice tiristora i često se upoređuje sa SCR.

Testiranje SCR sa ohmmetrom

Pre instaliranja SCR u strujnom kolu, važno je proveriti da li je električno zdrav. Neispravan SCR može izazvati kratke spojeve ili kvar celog sistema. Osnovno testiranje se može obaviti pomoću digitalnog ili analognog multimetra zajedno sa malim DC napajanjem za pokretanje verifikacije.

1 Gate-to-Cathode Junction test

Ovo proverava da li je kapija raskrsnica se ponaša kao dioda.

• Podesite multimetar na režim testiranja dioda

• Povežite pozitivnu (+) sondu na kapiju (G) i negativnu (–) sondu na katodu (K). Normalno čitanje pokazuje pad napona između 0.5V i 0.7V

• Obrnite sonde (+ na K, – na G). Merač treba da pokaže OL (otvorena petlja) ili veoma visok otpor

Test blokiranja anoda na katodu

Ovo osigurava da SCR nije interno kratko.

• Držite multimetar u režimu diode ili otpora

• Povežite + sondu na anodu (A) i – sondu na katodu (K). SCR treba da blokira struju i pokaže otvoreno kolo (bez provodljivosti)

• Obrnite sonde (+ na K, – na A). Čitanje bi i dalje trebalo da bude otvoreno kolo

SCR okidanje (Latching) Test

Ovo potvrđuje da li SCR može da se uključi i pravilno zasunu.

• Koristite 6V ili 9V bateriju sa 1kΩ otpornikom u seriji

• Povežite bateriju + na anodu (A) i bateriju – na katodu (K)

• Kratko povežite kapiju (G) sa anodom preko otpornika od 100–220Ω. SCR treba da se uključi i zasunu, omogućavajući struju da teče čak i nakon uklanjanja kapije veze.

• Da biste ga isključili, isključite napajanje - SCR će se otkopčati

Zaključak

Silicijumski kontrolisani ispravljač ostaje ključna komponenta u sistemima za kontrolu napajanja zbog svoje efikasnosti, visoke pouzdanosti i sposobnosti da se nosi sa velikim električnim opterećenjima. Od regulacije napona naizmenične struje do kontrole jednosmernog motora i industrijskih sistema konverzije, SCR-ovi i dalje igraju vitalnu ulogu u elektrotehnici. Solidno shvatanje osnova SCR-a pomaže u dizajniranju sigurnih i efikasnih elektronskih kola.

Često postavljana pitanja [FAK]

Koja je razlika između SCR i TRIAC?

TRIAC može da sprovodi struju u oba smera i koristi se u aplikacijama za kontrolu naizmenične struje kao što su prigušivači i regulatori ventilatora. SCR sprovodi struju samo u jednom pravcu i uglavnom se koristi za kontrolu ili ispravljanje jednosmerne struje.

Zašto SCR treba komutaciono kolo?

U DC krugovima, SCR ne može isključiti koristeći samo terminal kapije. Komutacioni krug prisiljava struju da padne ispod struje držanja, pomažući SCR isključiti bezbedno.

Šta uzrokuje SCR da propadne?

SCR neuspeh je obično uzrokovan prenaponom, visokom prenaponskom strujom, nepravilnim rasipanjem toplote ili lažnim prebacivanjem DV / DT-izazvanim. Korišćenje snubber kola i hladnjaka pomaže u sprečavanju neuspeha.

Može li SCR kontrolisati AC napajanje?

Da, SCR-ovi mogu kontrolisati napajanje naizmeničnim strujama pomoću kontrole faznog ugla. Odlaganjem ugla paljenja signala kapije tokom svakog AC ciklusa, izlazni napon i snaga isporučena na opterećenje može se podesiti.

Kolika je struja u SCR-u?

Holding struja je minimalna struja potrebna da zadrži SCR u stanju ON. Ako struja padne ispod ovog nivoa, SCR se automatski isključuje čak i ako je prethodno aktiviran.