Porozumění usměrňovači ovládaného křemíkem (SCR)
Klíčovou součástí energetické elektroniky je vyvíjející se z jednodušší Shockleyovy diody.Dioda Shockley fungovala jako základní přepínač, ale nemohla být ovládána externě.Přidání terminálu brány pro vytvoření přesné kontroly SCR povoleného nad jeho vedením a jeho proměnou v aktivní složku pro správu energie v různých obvodech.Tento článek zahrnuje strukturu a provoz SCR, včetně její interní konfigurace a mechanismu pozitivní zpětné vazby pro efektivní přepínání.Vysvětluje různé metody spouštění a potřebu kontrolované aktivace pro spolehlivý výkon.Článek také pojednává o testování funkčnosti SCR, využití při řízení výkonu střídavého proudu, techniky pokročilého spouštění, typy SCR a nových trendů v technologii SCR.Cílem je jasné porozumění SCR, jak fungují a jejich roli v moderní elektronice.Katalog
Shockley Diode to SCr
Obrázek 1: Shockley Diode
Shockley dioda, časná verze zařízení PNPN, funguje jako základní přepínač, který se zapne, když dosáhne určitého napětí.Má však omezené použití, protože postrádá kontrolu nad jeho přepínáním.Zavedení SCR se zlepšuje na Shockley Diode přidáním terminálu brány.Tento přírůstek umožňuje externí ovládání stavu vedení zařízení a změnou jej z jednoduchého přepínače na aktivní komponentu, která dokáže zvládnout vyšší úrovně výkonu s větší přesností.Tato změna výrazně zvyšuje užitečnost zařízení, takže je vhodná pro mnoho dalších elektronických obvodů.
Struktura usměrňovače řízená křemíkem
Obrázek 2: Přepínač kontrolovaný křemíkem
Evoluce z diody Shockley do SCR zahrnuje přidání terminálu brány do stávající struktury PNPN.Tento terminál brány umožňuje ovládat SCR externím signálem a poskytuje způsob, jak zařízení zapnout a vypnout podle potřeby.Díky této změně je SCR aktivní komponentou a výrazně rozšiřuje její použití v různých elektronických obvodech.Schopnost ovládat přepínací akci s externím signálem vytváří nové možnosti pro přesné řízení energie, což je velmi užitečné pro moderní elektronické aplikace.
Struktura a provoz SCR
Obrázek 3: Struktura a provoz SCR
SCR se skládá ze čtyř polovodičových vrstev, které tvoří tři PN křižovatky, s anodou, katodou a terminálem brány.Když je brána ponechána nespojená, SCR působí jako Shockleyova dioda, přičemž se zapne, když je dosaženo napětí.Použití malého napětí na bránu však umožňuje spuštění SCR účelně.
SCR vodivá cesta
Když je na bránu nanesen malý proud, spodní tranzistor v SCR se zapne.Tato akce pak zapne horního tranzistoru a vytvoří smyčku, která udržuje SCR ve stavu „on“, což umožňuje proudu proudit z anody do katody.Poté, co k tomu dojde, již není nutný proud brány k udržení SCR.SCR má dva tranzistory, které spolupracují, aby to udržely, jakmile začne.Tento design pomáhá SCR rychle přepínat z OFT.
Obrázek 4: Cesta vedení SCR
Chcete -li pochopit, jak funguje SCR, podívejte se na jeho vnitřní nastavení.Když je puls odeslán do brány, aktivuje spodní tranzistor, nechá proud procházet horním tranzistorem a udržovat spodní část.Tato smyčka zajišťuje, že SCR zůstane, dokud proud neklesne pod určitou úroveň, nazývá se holdingovým proudem.Díky tomu je SCRS užitečným pro spolehlivé přepínání a správu energie.
Metody spouštění a palby
Spuštění, také nazývané palba, znamená aplikovat napěťový puls na terminál SCR brány.Tato metoda zajišťuje, že se SCR zapne pouze v případě potřeby, bez ohledu na to, zda napětí přechází nad bodem prolomení.Reverzní spouštění, které vypne SCR použitím záporného napětí na bránu, lze také provést, ale je méně efektivní, protože vyžaduje hodně proudu.
Symbol tyristoru (GTO) brány
Obrázek 5: Symbol GTO
Spuštění SCR je klíčem k jeho provozu.Proud brány potřebný ke spuštění SCR je mnohem nižší než proud protékající zařízením, což poskytuje určité zesílení.Jakmile je spuštěna, SCR zůstává ve vodivém stavu, dokud proud skrz něj nespadne pod určitou úroveň, známá jako zadržovací proud.Tato charakteristika je velmi užitečná v aplikacích, kde je potřeba kontrolované přepínání, což zajišťuje, že SCR zůstane zapnutá, dokud proud zatížení nepadne dostatečně, aby jej vypnul.Díky této kontrolované aktivaci a deaktivaci jsou SCRS velmi vhodné pro aplikace, které vyžadují přesné řízení energie.
Testování funkčnosti SCR
Chcete-li otestovat, zda SCR funguje, můžete začít se základní kontrolou pomocí ohmmeru k měření křižovatky brány k katodu.Tento jednoduchý test však nestačí.Musíte také vidět, jak SCR funguje při zatížení.Pro důkladné zkoušky nastavte obvod se zdrojem stejnosměrného napájení a přepnutí tlačítka sledujte, jak se SCR zapíná a vypíná, když je připojen k zatížení.
Obrázek 6: SCR testovací obvod
Aby se zajistilo správné práci SCR, je zapojeno několik kroků.Jednoduchý testovací obvod lze vytvořit pomocí DC napájení, zatížení a přepínačů tlačítka pro simulaci procesů spouštění a držení.Sledováním chování SCR v tomto nastavení lze potvrdit jeho schopnost zařadit a vypnout podle očekávání.Tento testovací proces pomáhá diagnostikovat potenciální problémy a zajišťuje spolehlivost SCR v reálných aplikacích.Komplexní testování za skutečných podmínek zatížení pomáhá najít jakékoli slabosti nebo vady v SCR, což zajišťuje spolehlivý výkon v náročných aplikacích.
SCR kontrola napájení střídavého proudu
SCR se často používají tam, kde je třeba přepínat velké množství energie, ale řídicí obvody zpracovávají pouze malý proud a napětí pro jednoduchost a spolehlivost.Díky tomu jsou SCRS ideální pro situace, které vyžadují silné, ale citlivé kontrolní mechanismy.Například napájení střelby brány SCR může být až 50 mikrowattů (1 V, 50 µA), což zajišťuje, že ovládací kontakty tento malý signál spravují pouze.Po spuštění dokáže SCR zpracovat a přepínat výstupní zatížení přímo a poskytnout až 100 wattů nebo více.To umožňuje efektivní kontrolu vysoce výkonných systémů s minimálním napětím kontrolních obvodů.
Obrázek 7: SCR při řízení energie střídavého proudu
Pokud jde o to, jak fungují, je reverzní chování SCR jako typická dioda křemíkového usměrňovače, která působí jako otevřený obvod, když je mezi anodou a katodou aplikováno negativní napětí.Ve směru vpřed blokuje SCR proudový průtok, dokud napětí nepřekročí specifický bod zlomu, pokud není aplikován signál brány.Když je překonáno napětí vpřed nebo je zaveden vhodný bránový signál, SCR rychle přechází do vodivého stavu, s nízkým poklesem dopředného napětí podobného poklesu u jednorázového usměrňovače.Tato schopnost rychlého přepínání zajišťuje, že SCR může spolehlivě řídit vysoce výkonné zatížení při zachování nízkého požadavku na energii pro kontrolní operace.
Obrázek 8: Spínač řady
Obrázek výše ukazuje jednoduchý přepínač série, který odesílá AC signál do brány SCR.Rezistor R1 omezuje proud brány, aby byl v bezpečí, zatímco dioda d zabraňuje ovlivnění reverzního napětí v ovlivnění brány během nevodivého cyklu.Zátěž (RL) připojená k anodě může být jakoukoli hodnotu v mezích SCR.Toto nastavení zajišťuje SCR spolehlivě, s kontrolovaným spuštěním a ochranou před elektrickým napětím.
Obrázek 9: AC Switch Wavesforms
Když je Switch S otevřený, zůstává SCR vypnutý, i když je přítomen napájení střídavého proudu.Uzavření spínače S umožňuje, aby pozitivní část střídavého cyklu spustila SCR, což způsobuje, že se provádí, protože anoda je pozitivní.SCR se zapne na méně než polovinu cyklu a zůstává během negativní části cyklu mimo.Zavírání ovládacích prvků S, když se SCR zapne, což umožňuje proudu protékat zatížením.Chcete -li zastavit proud, můžete otevřít Switch S nebo počkat na negativní cyklus, který vypne SCR.Toto nastavení umožňuje snadnou kontrolu proudu proudu v obvodu.
Obrázek 10: Shunt Switch
Chcete -li ovládat SCR, můžete použít DC na bráně.Použití DC na bránu zapne SCR.Dalším způsobem je použití spínače mezi bránou a katodou.Otevření přepínače zapne SCR zapnuto, což umožňuje proudu protékat zatížením.Chcete -li vypnout SCR a zastavte proud, zavřete spínač nebo aplikujte záporné napětí na anodu.Tato metoda pomáhá při řízení zařízení, jako jsou rychlosti motoru a úroveň výkonu.
Obrázek 11: Zatěžte proud se zavřeným spínačem
Jsou ilustrovány další dvě jednoduché metody přepínání napájení na zatížení.V prvním obvodu uzavření ovladatelného kontaktního dodávání napájení zátěže a přitom otevření kontaktního odříznutí napájení.Naopak, druhý obvod pracuje vzad: napájení je dodáváno zátěži pouze tehdy, když je kontakt otevřený.Oba obvody mohou být nastaveny na „západku“ pomocí DC napájení namísto zobrazeného AC.
V prvním obvodu poskytuje dělič napětí složený z rezistorů R2 a R3 signál AC brány SCR.To umožňuje SCR vystřelit a napájet energii, když je kontakt uzavřen.Ve druhém obvodu, uzavření spínače způsobuje, že brána a katoda mají stejný potenciál, což zabraňuje vypálení SCR a tím přerušuje energii na zátěž.Toto jednoduché nastavení zajišťuje jasné a předvídatelné řízení napájení na zatížení v obou konfiguracích.
Obrázek 12: Zatěžte proud s otevřeným přepínačem
Síla střídavého proudu lze ovládat pomocí níže uvedeného obvodu.V tomto nastavení jsou dva SCRS připojeny zády k sobě pro správu obou polovičních cyklů napětí střídavého proudu.Tato konfigurace zajišťuje, že každý SCR zpracovává jeden poloviční cyklus průběhu střídavého proudu, což umožňuje efektivní a přesnou kontrolu napájení dodávaného do zatížení.
Obrázek 13: Spínač AC se dvěma SCR
Řídicí proud proudí k branům rezistorem R3, když externí spínač (mechanický nebo elektronický) spojuje ovládací svorky.Tento spínač lze řídit různými senzory, jako je světlo, teplo nebo tlak, které aktivují elektronický zesilovač.Když se přepínač zavře, SCR jsou spuštěny s každým cyklem střídavého proudu, což umožňuje proudění energie k zatížení.Když se přepínač otevře, SCR nevystřelí a do zatížení se doručí žádná energie.Tento mechanismus účinně spravuje střídavé napájení dodávané zátěži.
Aplikace a typy SCRS
SCR se používají v mnoha oblastech, protože mají silné kontrolní prvky.Patří mezi ně přeměna energie, řízení motoru a osvětlovací systémy.Byly vyvinuty různé typy SCR, aby vyhovovaly specifickým potřebám:
Standardní SCR: Používá se pro obecné účely.
Rychlé přepínání SCR: Navrženo pro vysokofrekvenční aplikace.
SCR spuštěná světlem (LTS): Používá světlo pro spouštění a poskytuje elektrickou izolaci.
Brána Turn-Off SCR (GTO): Umožňuje ovládání zapnutí i zapnutí.
Reverzní blokování SCR: Může blokovat proud v obou směrech.
Třífázový most SCR ovládání zatížení
Každý typ SCR je vytvořen pro specifické potřeby.Standardní SCR jsou flexibilní a používají se v mnoha aplikacích, zatímco rychlé přepínání SCR jsou ideální pro vysokorychlostní operace.SCR spuštěné světlem (LTS) používají světlo ke spuštění brány a poskytují vynikající elektrickou izolaci.SCRS GATE Off SCRS (GTO) se mohou zapnout i vypnout, takže je vhodnými pro vysoce výkonné aplikace.Reverzní blokování SCR je navrženo tak, aby blokovaly proudový tok v obou směrech, což zvyšuje jejich použití ve scénářích řízení výkonu střídavého proudu.
Obrázek 14: Třífázový most SCR Ovládání zatížení
Praktické aplikace a pokročilé použití SCRS
SCR jsou široce používány v mnoha aplikacích kvůli jejich silným ovládacím prvkům.Některé pozoruhodné aplikace zahrnují:
Systémy přeměny napájení: SCR jsou klíčové komponenty v systémech přeměny energie, které mají změnu z AC na DC Power a naopak.Tyto systémy se používají jak v průmyslovém nastavení, tak v elektronice spotřebitele, kde je zapotřebí stabilní a spolehlivé napájení.
Řízení motoru: V aplikacích pro řízení motoru SCR upravují rychlost a točivý moment elektrických motorů.Změnou úhlu střelby SCRS ovládá napájení dodávané do motoru, což umožňuje přesnou kontrolu nad jeho provozem.
Osvětlovací systémy: SCR se používají k plynulému tlumenému světlu ovládáním fázového úhlu napájecího střídavého proudu.Tato schopnost poskytuje úsporu energie a zvyšuje atmosféru v aplikacích osvětlení.
Ovládací prvky zahřívání: V aplikacích vytápění SCR regulují výkon dodávaný do topných prvků a udržují požadovanou teplotu s vysokou přesností.To je zvláště užitečné v průmyslových procesech vyžadujících přesnou kontrolu teploty.
Ochranné obvody: SCRS působí jako páčidla v ochranných obvodech, zkratující zdroj napájení v případě stavu přepětí k ochraně citlivých elektronických složek před poškozením.
Široká škála aplikací ukazuje flexibilitu a užitečnost SCR v moderní elektronice, kde je zapotřebí přesné kontroly a spolehlivý výkon.
Podrobná analýza charakteristik SCR
Pochopení specifických charakteristik SCR je klíčové pro jejich efektivní použití.Mezi klíčové vlastnosti patří:
Brána spouštěcí napětí (VGt)
Minimální napětí brány potřebné k zapnutí SCR.
Držení proudu (iH)
Minimální proud potřebný k udržení provádění SCR.
Západka proudu (iL)
Minimální proud potřebný k udržení SCR ve stavu „ON“ po odstranění spouštěcí brány.
Napětí propuštění (VBo)
Napětí, při kterém se SCR zapne bez proudu brány.
Napětí blokování dopředu (VDrm)
Maximální napětí, které může SCR blokovat ve směru dopředu bez provádění.
Zpětné blokování napětí (VRRM)
Maximální napětí, které může SCR blokovat v opačném směru.
Pokles na napětí ve stavu (VTm)
Při provádění napětí pokles na SCR.
Hodnocení DV/DT
Maximální rychlost nárůstu napětí mimo stát, které SCR vydrží bez zapnutí.
Hodnocení DI/DT
Maximální rychlost zvýšení proudu ve stavu, který SCR zvládne bez poškození.
Ochrana proti ochraně a obvody SCR
Pro zlepšení spolehlivosti SCR v praktických aplikacích se často používají ochranné obvody.Jednou z běžných metod je použití snubborových obvodů.Snubberské obvody zajišťují SCRS před vysokým napětím DV/DT a DI/DT, což může způsobit včasné selhání.
Obrázek 15: Ochrana SCR
Pro ochranu SCR před náhlými hroty napětí má každý SCR v obvodu převaděče paralelní síť R-C snubber.Tato snubberská síť chrání SCR proti vnitřním hrotkám napětí, ke kterým dochází během procesu zpětného zotavení.Když je SCR vypnutý, je přesměrován reverzní zotavovací proud na obvod snubber, který obsahuje prvky ukládání energie.
Blesk a přepínací přepětí na vstupní straně mohou poškodit převodník nebo transformátor.Pro snížení dopadu těchto napětí se upínací zařízení napětí používají přes SCR.Mezi běžné upínací zařízení napětí patří varistory oxidu kovu, diody selenového thyrktoru a potlačování lavinových diodů.
Tato zařízení mají snižující se odolnost při zvyšování napětí, což poskytuje cestu s nízkou rezistencí přes SCR, když dojde k přepěťovému napětí.Níže uvedený obrázek ukazuje, jak je SCR chráněna před napětími pomocí thyrtorové diody a snubberské sítě.
Pokročilé spouštěcí techniky pro SCRS
Obrázek 16: Spuštění techniky
Kromě jednoduchého spuštění brány mohou pokročilé metody dále zlepšit výkon SCR ve složitých nastaveních.Tyto metody zahrnují:
• Spouštění pulsu
Použití krátkých, vysoce proudových pulsů k aktivaci SCR zajišťuje, že se spolehlivě zapíná i v hlučném prostředí.
• Fázově kontrolované spouštění
Zarovnání spuštění SCR s napájením střídavého proudu umožňuje přesnou kontrolu nad výkonem odeslaným do zatížení.
• Opticky izolované spouštění
Použití optických izolátorů ke spuštění SCR poskytuje elektrickou izolaci a chrání řídicí obvody před vysokým napětím.
• Spouštění založené na mikrokontroléru
Použití mikrokontrolérů pro generování přesných spouštěcích impulsů umožňuje sofistikované kontrolní schémata a lepší výkon ve složitých nastaveních.
SCR spuštěn na bázi mikrokontroléru
Obrázek 17: SCRING SCR na bázi mikrokontroléru
Tyto pokročilé techniky spouštění nabízejí větší flexibilitu a kontrolu v aplikacích SCR, takže jsou vhodné pro širokou škálu průmyslové a spotřební elektroniky.Použitím těchto metod mohou inženýři dosáhnout přesnější a spolehlivější kontroly nad systémy řízení energie, což zlepší celkovou účinnost a výkon řešení založených na SCR.
Scrs in Modern Power Electronics
SCR jsou klíčovými částmi při vytváření efektivních a spolehlivých systémů řízení energie.Dělají velký rozdíl v několika hlavních oblastech, včetně:
Systémy obnovitelné energie: SCR se používají v energetických střídačkách a ovladačích k přeměně a správě energie z obnovitelných zdrojů, jako je sluneční a vítr.Manipulují s vysokou úrovní výkonu a poskytují přesnou kontrolu, takže je perfektní pro tyto aplikace.
Elektrická vozidla: V elektrických vozidlech (EV) se SCR používají v motorových ovladačích a systémech nabíjení baterií.Spravují tok napájení mezi baterií a motorem a zajišťují efektivní provoz a delší výdrž baterie.
Inteligentní mřížky: V aplikacích Smart Grid SCRS spravují distribuci elektrické energie.Používají se v mřížkách vázaných střídače, regulátorech napětí a regulátorech fázového úhlu, aby se zajistilo stabilní a efektivní dodávání energie.
Průmyslová automatizace: SCR se používají v motorových jednotkách, ovládání vytápění a systémech řízení procesů v průmyslové automatizaci.Manipulují s vysokou energií a poskytují přesnou kontrolu, což z nich činí základní komponenty v automatizovaných výrobních procesech.
Neinterrupibilní napájecí zdroje (UPS): SCR poskytují spolehlivé zálohování napájení během výpadků v systémech UPS.Pomáhají hladce přepínat mezi hlavním napájecím zdrojem a zdrojem záložního napájení, což zajišťuje, že nepřetržitý výkon pro klíčové systémy.
Budoucí trendy a inovace v technologii SCR
Rozvoj technologie SCR se neustále zlepšuje, aby vyhovoval potřebě lepší a spolehlivější kontroly energie.Nové polovodičové materiály, jako je křemíkový karbid (SIC) a nitrid gallia (GAN), zlepšují SCR lépe zpracovávat vyšší napětí, snižováním odporu a zlepšováním řízení tepla.Integrované brány dojížděné tyristory (IGCT) kombinují výhody GTO a IGBT, nabízejí rychlé přepínání, nízkou ztrátu energie a schopnost zvládnout vysoký výkon pro náročné aplikace.Metody digitálního řízení s SCR umožňují přesné a flexibilní ovládání, díky čemuž jsou systémy efektivnější a spolehlivější.Pokroky ve výrobních technikách dělají SCRS menší a vhodný pro přenosná zařízení, což je užitečné pro spotřební elektroniku.Vylepšené funkce ochrany v SCR, jako jsou vestavěné obvody snubber a ochrana nadproudové ochrany, jsou také spolehlivější a snadnější používání.
Závěr
Řídicí proud proudí k branům rezistorem R3, když externí spínač (mechanický nebo elektronický) spojuje ovládací svorky.Tento spínač lze řídit senzory, jako je světlo, teplo nebo tlak, které aktivují elektronický zesilovač.Když se přepínač zavře, SCRS spustí s každým cyklem střídavého proudu, což umožňuje zatížení.Když se přepínač otevře, SCR nevystřelí a zastaví tok napájení.Tento mechanismus řídí napájení střídavého proudu k zatížení.
Zlepšení polovodičových materiálů, jako je křemíkový karbid (SIC) a nitrid gallia (GAN), budou SCR efektivnější a odolnější.Inovace, jako jsou integrované brány dojížděné tyristory (IGCT) a techniky digitálního řízení, zvýší výkon SCR s rychlejším přepínáním, nižšími ztrátami energie a lepší spolehlivostí.SCRS bude i nadále hrát klíčovou roli v nových technologiích, od inteligentních sítí po elektrická vozidla, což zajistí efektivní a spolehlivé řízení energie.
Často kladené otázky [FAQ]
1. Jaké jsou výhody usměrňovače řízeného křemíkem?
Křemístkový usměrňovač (SCR) nabízí několik výhod, včetně efektivní kontroly energie, vysoké spolehlivosti, schopnosti zvládnout vysoké napětí a proudy a přesné kontroly nad proudem energie.SCR také poskytují rychlé přepínání a jsou odolné v drsných prostředích, což je činí vhodnými pro různá průmyslová využití.
2. Jaký je účel diody na křemíku?
K převodu střídavého proudu (AC) na přímý proud (DC) se používá dioda křemíku.Umožňuje proudu proudit pouze v jednom směru a poskytuje opravu, která je potřebná v napájecích zdrojích a dalších elektronických obvodech.
3. Proč potřebujeme kontrolovaný usměrňovač?
Kontrolované usměrňovače se používají k přesnému řízení a řízení toku energie v elektronických zařízeních.Umožňují nastavení výstupního napětí a proudu, který je potřebný v aplikacích, jako je řízení rychlosti motoru, napájecí zdroje a stmívací světla.Kontrolované usměrňovače zlepšují účinnost a poskytují stabilitu při dodávání energie.
5. Jaký je závěr SCR?
SCR je všestranná a spolehlivá součást v energetické elektronice.Poskytuje přesnou kontrolu nad aplikacemi s vysokým výkonem a napětí, což je cenné v různých průmyslových odvětvích.SCRS se nadále zlepšuje s pokrokem v materiálech a technologiích a zajišťuje jejich význam v budoucích aplikacích.
6. Jaké jsou aplikace diody kontrolované křemíku?
Aplikace diod s kontrolou křemíku zahrnují kontrolu rychlosti motoru, stmívání světla, regulaci energie v AC a DC energetických systémech, ochranu přepětí a střídače.Používají se také v průmyslové automatizaci, napájecích zdrojích a systémech obnovitelné energie, jako jsou převaděče sluneční a větrné energie.