Raddrizzatore controllato al silicio

Raddrizzatore controllato al silicio (SCR)

Il raddrizzatore controllato al silicio (SCR), noto anche come tiristore, è un componente elettrico ad alta potenza. Presenta i vantaggi di dimensioni ridotte, alta efficienza e lunga durata. Nei sistemi di controllo automatico, può essere utilizzato come driver ad alta potenza per controllare dispositivi ad alta potenza con controlli a bassa potenza. È stato ampiamente utilizzato nei sistemi di controllo della velocità dei motori CA e CC, nei sistemi di regolazione della potenza e nei servosistemi.

Esistono due tipi di tiristore: tiristore unidirezionale e tiristore bidirezionale. Tiristore bidirezionale, noto anche come tiristore bidirezionale a tre terminali, abbreviato in TRIAC. Il tiristore bidirezionale è strutturalmente equivalente a due tiristori unidirezionali collegati al contrario e questo tipo di tiristore ha una funzione di conduzione bidirezionale. Il suo stato on/off è determinato dal polo di controllo G. L'aggiunta di un impulso positivo (o negativo) al polo di controllo G può farlo condurre nella direzione avanti (o indietro). Il vantaggio di questo dispositivo è che il circuito di controllo è semplice e non presenta problemi di tenuta alla tensione inversa, quindi è particolarmente adatto per l'uso come interruttore AC senza contatto.

1 struttura SCR

Utilizziamo tiristori unidirezionali, noti anche come tiristori ordinari. Sono composti da quattro strati di materiale semiconduttore, con tre giunzioni PN e tre elettrodi esterni [Figura 2 (a)]: l'elettrodo uscito dal primo strato di semiconduttore di tipo P è chiamato anodo A, l'elettrodo uscito dal il terzo strato di semiconduttore di tipo P è chiamato elettrodo di controllo G, e l'elettrodo condotto fuori dal quarto strato di semiconduttore di tipo N è chiamato catodo K. Dal simbolo elettronico del tiristore [Fig. 2 (b)], possiamo vedere che si tratta di un dispositivo conduttivo unidirezionale come il diodo. La chiave è aggiungere un elettrodo di controllo G, che gli conferisce caratteristiche operative completamente diverse dal diodo.

Il dispositivo P1N1P2N2 a quattro strati e tre terminali, basato su un singolo cristallo di silicio come materiale di base, è stato lanciato nel 1957. A causa delle sue caratteristiche simili ai tiristori a vuoto, è comunemente indicato a livello internazionale come tiristori al silicio, abbreviato come tiristori T. Inoltre, poiché i tiristori Originariamente utilizzati nel raddrizzamento statico, sono conosciuti anche come elementi raddrizzatori controllati al silicio, abbreviati in tiristori SCR.

In termini di prestazioni, il raddrizzatore controllato al silicio non solo ha una conduttività singola, ma ha anche una controllabilità più preziosa rispetto ai componenti del raddrizzatore al silicio (comunemente noti come"silicio morto"). Ha solo due stati: acceso e spento.

Il tiristore può controllare apparecchiature elettromeccaniche ad alta potenza con corrente di livello milliampere. Se questa potenza viene superata, la corrente media consentita diminuirà a causa di un aumento significativo delle perdite di commutazione dei componenti. In questo momento, la corrente nominale dovrebbe essere declassata per l'uso.

Ci sono molti vantaggi del tiristore, come il controllo di alta potenza con bassa potenza, e il fattore di amplificazione della potenza può raggiungere diverse centinaia di migliaia di volte; Risposta estremamente rapida, accensione e spegnimento in pochi microsecondi; Nessuna operazione di contatto, nessuna scintilla, nessun rumore; Alta efficienza, basso costo, ecc.

I tiristori sono principalmente classificati in termini di aspetto come a forma di bullone, a forma di piastra piatta e a forma di fondo piatto.

Struttura dei componenti dei tiristori

Indipendentemente dall'aspetto del tiristore, il loro nucleo è una struttura P1N1P2N2 a quattro strati composta da silicio di tipo P e silicio di tipo N. Vedere la Figura 1. Ha tre giunzioni PN (J1, J2, J3), con l'anodo A introdotto dallo strato P1 della struttura J1, il catodo K introdotto dallo strato N2 e l'elettrodo di controllo G introdotto dallo strato P2. Pertanto, è un dispositivo a semiconduttore a quattro strati e tre terminali.

2 principio operativo

Elementi strutturali

Il tiristore è un elemento strutturale terminale a quattro strati P1N1P2N2 con tre giunzioni PN. Analizzando il principio, può essere considerato composto da un transistor PNP e da un transistor NPN, e il suo diagramma equivalente è mostrato nella figura a destra. Tiristore bidirezionale: il tiristore bidirezionale è un dispositivo raddrizzatore controllato al silicio, noto anche come TRIAC. Questo dispositivo può ottenere il controllo senza contatto dell'alimentazione CA nei circuiti, controllando grandi correnti con piccole correnti. Presenta i vantaggi di assenza di scintille, azione rapida, lunga durata, elevata affidabilità e struttura del circuito semplificata. Dall'aspetto, il tiristore bidirezionale è molto simile al tiristore ordinario, con tre elettrodi. Tuttavia, ad eccezione di un elettrodo G, che è ancora chiamato elettrodo di controllo, gli altri due elettrodi di solito non sono più chiamati anodo e catodo, ma collettivamente indicati come elettrodi principali Tl e T2. Il suo simbolo è anche diverso da quello dei tiristori ordinari, che viene disegnato invertendo la connessione di due tiristori insieme, come mostrato nella Figura 2. Il suo modello è generalmente rappresentato da"3CTS"O"KS"in Cina; I dati esteri possono anche essere rappresentati da 'TRIAC'. Le specifiche, i modelli, l'aspetto e la disposizione dei pin degli elettrodi del tiristore bidirezionale variano a seconda del produttore, ma la maggior parte dei pin degli elettrodi sono disposti da sinistra a destra nell'ordine di T1, T2 e G (quando osservati, i pin degli elettrodi sono rivolto verso il basso e rivolto verso il lato contrassegnato dai caratteri). L'aspetto e la disposizione dei pin dell'elettrodo del tiristore bidirezionale con struttura incapsulata in plastica più comune sul mercato sono mostrati nella Figura 1.

3 Caratteristiche dell'SCR

Per comprendere intuitivamente le caratteristiche di funzionamento dei tiristori, diamo un'occhiata a questo pannello didattico (Figura 3). Il tiristore VS è collegato in serie con la piccola lampadina EL e collegato all'alimentazione CC tramite l'interruttore S. Si noti che l'anodo A è collegato al polo positivo dell'alimentatore, il catodo K è collegato al polo negativo dell'alimentazione alimentazione e l'elettrodo di controllo G è collegato al polo positivo dell'alimentazione da 1,5 V CC tramite l'interruttore a pulsante SB (qui vengono utilizzati tiristori di tipo KP1 e, se vengono utilizzati tiristori di tipo KP5, devono essere collegati al polo positivo dell'alimentatore alimentazione 3Vcc). Il metodo di connessione tra il tiristore e l'alimentatore è chiamato connessione diretta, il che significa che la tensione positiva viene applicata sia all'anodo che ai poli di controllo del tiristore. Accendere l'interruttore di alimentazione S, ma la piccola lampadina non si accende, indicando che il tiristore non conduce; Premere nuovamente l'interruttore a pulsante SB per immettere una tensione di attivazione al polo di controllo. La piccola lampadina si accende, indicando che il tiristore sta conducendo. Che ispirazione ci ha dato questo esperimento dimostrativo?

Questo esperimento ci dice che per rendere conduttivo il tiristore, uno è applicare una tensione diretta tra il suo anodo A e il catodo K, e l'altro è inserire una tensione di attivazione diretta tra il suo elettrodo di controllo G e il catodo K. Dopo che il tiristore è stato ruotato acceso, rilasciare l'interruttore a pulsante, rimuovere la tensione di attivazione e mantenere comunque lo stato di conduzione.

4 Caratteristiche dell'SCR

Con un tocco. Tuttavia, se viene applicata una tensione inversa all'anodo o all'elettrodo di controllo, il tiristore non può condurre. La funzione del polo di controllo è di accendere il tiristore applicando un impulso di trigger diretto, ma non può essere spento. Quindi, quale metodo può essere utilizzato per spegnere il tiristore conduttore? Spegnendo il tiristore conduttore, è possibile scollegare l'alimentazione dell'anodo (interruttore S nella Figura 3) oppure ridurre la corrente anodica al valore minimo richiesto per mantenere la continuità (detta corrente di mantenimento). Se è presente una tensione CA o una tensione CC pulsante applicata tra l'anodo e il catodo del tiristore, il tiristore si spegnerà automaticamente quando la tensione supera lo zero.

Tipo di applicazione

La Figura 4 mostra la curva caratteristica del tiristore bidirezionale.

Come mostrato in figura, la curva caratteristica del tiristore bidirezionale è composta da curve all'interno del primo e del terzo quadrante. La curva nel primo quadrante indica che quando la tensione applicata all'elettrodo principale fa sì che Tc abbia una polarità positiva verso T1, viene chiamata tensione diretta e rappresentata dal simbolo U21. Quando questa tensione aumenta gradualmente fino alla tensione del punto di svolta UBO, il tiristore sul lato sinistro della Figura 3 (b) attiva la conduzione e la corrente nello stato attivo in questo momento è I21, che scorre da T2 a Tl. Dalla figura si può vedere che maggiore è la corrente di attivazione, minore è la tensione di rotazione. Questa situazione è coerente con la legge di conduzione che attiva il tiristore ordinario. Quando la tensione applicata all'elettrodo principale fa sì che Tl abbia una polarità positiva verso T2, si parla di tensione inversa ed è rappresentata dal simbolo U12. Quando questa tensione raggiunge il valore di tensione del punto di svolta, il tiristore sul lato destro della Figura 3 (b) attiva la conduzione e la corrente in questo momento è I12, con una direzione da T1 a T2. A questo punto la curva caratteristica del tiristore bidirezionale è mostrata nel terzo quadrante della Figura 4.

Quattro metodi di attivazione

Dato che sull'elettrodo principale del tiristore bidirezionale, può essere attivato e condotto indipendentemente dal fatto che venga applicata una tensione diretta o inversa e se il segnale di attivazione sia diretto o inverso, ha i seguenti quattro metodi di attivazione: ( 1) Quando la tensione applicata dall'elettrodo principale T2 a Tl è una tensione diretta, anche la tensione applicata dall'elettrodo di controllo G al primo elettrodo Tl è un segnale di trigger diretto (Figura 5a). Dopo che il tiristore bidirezionale attiva la conduzione, la direzione della corrente I2l scorre da T2 a T1. Dalla curva caratteristica si può vedere che la legge di conduzione del trigger bidirezionale a tiristore viene eseguita in base alle caratteristiche del secondo quadrante e poiché il segnale di trigger è nella direzione in avanti, questo trigger è chiamato"grilletto in avanti del primo quadrante"o il metodo I+trigger. (2) Se la tensione diretta è ancora applicata all'elettrodo principale T2 e il segnale di attivazione viene modificato in un segnale inverso (Figura 5b), dopo che il tiristore bidirezionale attiva la conduzione, la direzione della corrente di stato attivo è ancora da T2 a T1. Chiamiamo questo trigger il"trigger negativo del primo quadrante"o il metodo I-trigger. (3) Due elettrodi principali vengono applicati con una tensione inversa U12 (Figura 5c) e viene immesso un segnale di trigger diretto. Dopo l'accensione del tiristore bidirezionale, la corrente di stato attivo scorre da T1 a T2. Il tiristore bidirezionale funziona secondo la curva caratteristica del terzo quadrante, quindi questo trigger è chiamato metodo III+trigger. (4) I due elettrodi principali applicano ancora la tensione inversa U12 e l'ingresso è un segnale di attivazione inversa (Figura 5d). Dopo l'accensione del tiristore bidirezionale, la corrente di stato attivo scorre ancora da T1 a T2. Questo trigger è chiamato III tocco

(4) I due elettrodi principali applicano ancora la tensione inversa U12 e l'ingresso è un segnale di attivazione inversa (Figura 5d). Dopo l'accensione del tiristore bidirezionale, la corrente di stato attivo scorre ancora da T1 a T2. Questo trigger è chiamato metodo di trigger III. Sebbene il tiristore bidirezionale abbia i quattro metodi di attivazione sopra menzionati, la tensione di attivazione e la corrente richieste per l'attivazione del segnale negativo sono relativamente piccole. Il lavoro è relativamente affidabile, quindi i metodi di attivazione negativa sono ampiamente utilizzati nell'uso pratico.

5 Scopo

L'uso più basilare dei tiristori ordinari è la rettifica controllabile. Il familiare circuito raddrizzatore a diodi appartiene a un circuito raddrizzatore incontrollabile. Se il diodo viene sostituito con un tiristore, è possibile formare un circuito raddrizzatore controllabile. Prendendo come esempio il più semplice circuito raddrizzatore controllabile a semionda monofase, durante il semiciclo positivo della tensione CA sinusoidale U2, se il polo di controllo di VS non immette l'impulso di trigger Ug, VS non può ancora condurre. Solo quando U2 si trova nel semiciclo positivo e l'impulso di trigger Ug viene applicato al polo di controllo, il tiristore viene attivato per condurre. Disegnane le forme d'onda (c) e (d), e solo quando arriva l'impulso di trigger Ug, ci sarà la tensione UL in uscita sul carico RL. Ug arriva presto e il tempo di conduzione del tiristore è anticipato; Ug è arrivato in ritardo e il tempo di conduzione del tiristore è stato ritardato. Modificando il tempo in cui l'impulso di trigger Ug arriva al polo di controllo, è possibile regolare la tensione di uscita media UL sul carico. Nella tecnologia elettrica, il semiciclo della corrente alternata è spesso fissato a 180°, il cosiddetto angolo elettrico. In questo modo, l'angolo elettrico sperimentato durante ciascun semiciclo positivo di U2 da zero al momento in cui arriva l'impulso di trigger è chiamato angolo di controllo α; L'angolo elettrico al quale il tiristore conduce all'interno di ciascun semiciclo positivo è chiamato angolo di conduzione θ 。 Ovviamente, α e θ sono entrambi utilizzati per rappresentare l'intervallo di conduzione o di blocco dei tiristori durante mezzo ciclo di resistenza alla tensione diretta. Modificando l'angolo di controllo α o l'angolo di conduzione θ, modificando il valore medio UL della tensione continua a impulsi sul carico, si ottiene una rettifica controllabile.

1: Il raddrizzatore bidirezionale controllato al silicio incapsulato in plastica a bassa potenza è comunemente usato come sistema di illuminazione acustoottico. Corrente nominale: IA è inferiore a 2 A.

2: Grande; I tiristori sigillati in plastica e in ferro di media potenza sono comunemente usati come circuiti di regolazione della tensione controllabile di tipo potenza. Come l'alimentatore CC con uscita di tensione regolabile, ecc.

3: Il tiristore ad alta frequenza ad alta potenza è comunemente usato nell'industria; Forno fusorio ad alta frequenza, ecc