כיצד פועלים תיריסטורים (SCR) - הדרכה

בעיקרון SCR (מיישר מבוקר סיליקון) הידוע גם בשם תיריסטור עובד ממש כמו טרנזיסטור.

בשביל מה SCR עומד

המכשיר מקבל את שמו (SCR) בשל המבנה הפנימי המוליך למחצה הרב שכבתי שלו המתייחס למילה 'סיליקון' בתחילת שמו.

החלק השני של השם 'מבוקר' מתייחס למסוף השער של המכשיר, המועבר באמצעות אות חיצוני על מנת לשלוט על הפעלת המכשיר, ומכאן המילה 'מבוקר'.

והמונח 'מיישר' מסמל את מאפיין התיקון של ה- SCR כאשר מופעל השער שלו ומותר לזרום על פני האנודה שלו למסופי קתודה, זה עשוי להיות דומה לתיקון באמצעות דיודת מיישר.

ההסבר לעיל מבהיר כיצד המכשיר פועל כמו 'מיישר מבוקר סיליקון'.

למרות ש- SCR מתקן כמו דיודה ומחקה טרנזיסטור עקב תכונת ההפעלה שלו עם אות חיצוני, תצורה פנימית של SCR מורכבת ממערך מוליכים למחצה ארבע שכבות (PNPN) המורכבים משלושה צמתים PN סדרתיים, בניגוד לדיודה אשר בעל שתי שכבות (PN) או טרנזיסטור הכולל תצורת מוליכים למחצה תלת שכבתית (PNP / NPN).

אתה יכול להתייחס לתמונה הבאה להבנת הפריסה הפנימית של צומת המוליכים למחצה המוסברים וכיצד פועלים תיריסטורים (SCR).

מאפיין SCR נוסף המתאים באופן ברור עם דיודה הוא מאפייניו החד כיווניים המאפשר לזרם לזרום רק בכיוון אחד דרכו, ולחסום מהצד השני בזמן שהוא מופעל, לאחר שאמר כי ל- SCR יש אופי מיוחד אחר המאפשר להפעיל אותם. כמתג פתוח במצב כיבוי.

שני מצבי מיתוג קיצוניים אלה ב- SCR מגבילים התקנים אלה מהגברה של אותות ואלו לא ניתן להשתמש בהם כמו טרנזיסטורים להגברת אות פועם.

המיישרים הנשלטים על הסיליקון או ה- SCR בדיוק כמו Triacs, Diacs, או UJT שלכולם יש את התכונה לבצע כמו מיתוגי AC חזקים במצב מיתוג מהיר תוך ויסות פוטנציאל AC או זרם נתון.

אז עבור מהנדסים ותחביבים מכשירים אלה הופכים לאופציית מתג מצב מעולה כשמדובר בוויסות התקני מיתוג AC כגון מנורות, מנועים, מתגי דימר ביעילות מרבית.

SCR הוא מכשיר מוליך למחצה בעל 3 מסופים המוקצים כאנודה, קתודה והשער, אשר בתורם מיוצרים באופן פנימי עם 3 צמתים P-N, בעלי תכונה לעבור במהירות גבוהה מאוד.

כך ניתן להעביר את המכשיר בכל קצב רצוי ולהגדיר באופן דיסקרטי תקופות הפעלה / כיבוי, לצורך הטמעה של הפעלה ממוצעת מסוימת או כיבוי זמן לעומס.

מבחינה טכנית ניתן להבין את הפריסה של SCR או תיריסטור על ידי השוואה לזוג טרנזיסטורים (BJT) המחוברים בסדר הגב לגב, כך שייווצר כמו זוג מתגים משובי משלים, כפי שמוצג בתמונה הבאה. :

תיריסטורים שני טרנזיסטורים אנלוגיה

שני המעגלים המקבילים לטרנזיסטור מראים שזרם האספן של טרנזיסטור ה- NPN TR2 מוזרם ישירות לבסיס הטרנזיסטור PNP TR1, ואילו זרם האספן של TR1 מוזרם לבסיס ה- TR2.

שני הטרנזיסטורים המחוברים האלו מסתמכים זה על זה על הולכה כאשר כל טרנזיסטור מקבל את זרם פולט הבסיס שלו מזרם הקולט-פולט של השני. אז עד שאחד הטרנזיסטורים יקבל זרם בסיסי שום דבר לא יכול לקרות גם אם קיים מתח אנודה לקתודה.

הדמיית הטופולוגיה של SCR עם אינטגרציה של שני טרנזיסטורים מגלה שההיווצרות תהיה באופן כזה שזרם הקולט של הטרנזיסטור NPN מספק ישר לבסיס הטרנזיסטור PNP TR1, בעוד שזרם הקולט של TR1 מחבר את הספק עם ה- בסיס TR2.

נראה שתצורת הטרנזיסטור המדומה משתלבת ומשלימה זו את ההולכה זו על ידי קבלת כונן הבסיס מזרם פולט הקולט של השני, דבר זה הופך את מתח השער לקריטי מאוד ומבטיח שהתצורה המוצגת לעולם לא תוכל להתנהל עד להחלת פוטנציאל השער, אפילו בנוכחות פוטנציאל האנודה לקתודה עשוי להיות מתמשך.

במצב בו עופרת האנודה של המכשיר שלילית יותר מהקתודה שלו, מאפשרת לצומת ה- N להישאר מוטה קדימה, אך להבטיח כי צמתים ה- P-N החיצוניים יהיו מוטים לאחור כך שהם פועלים כמו דיודת מיישר רגילה.

מאפיין זה של SCR מאפשר לו לחסום זרימת זרם הפוכה, עד שנגרם עוצמה גבוהה משמעותית של מתח שעשוי להיות מעבר למפרט המקור שלו על פני המוליכים המוזכרים, מה שמאלץ את ה- SCR להתנהל גם בהיעדר כונן שער. .

האמור לעיל מתייחס למאפיינים קריטיים של תיריסטורים העלולים לגרום להתנעה בלתי רצויה של המכשיר באמצעות ספייק מתח גבוה הפוך ו / או טמפרטורה גבוהה, או חולף מתח DV / dt במהירות הולכת וגוברת במהירות.

נניח שבמצב בו מסוף האנודה יחווה חיובי יותר ביחס להוביל הקתודה שלו, זה עוזר לצומת ה- P-N החיצוני להיות מוטה קדימה, אם כי צומת ה- NP המרכזי ממשיך להישאר מוטה הפוכה. כתוצאה מכך הדבר מבטיח כי גם הזרם הקדמי נחסם.

לכן במקרה שאות חיובי המושרה על בסיס בסיס הטרנזיסטור NPN TR2 גורם למעבר זרם הקולט לעבר הבסיס f TR1, אשר בתכנית מאלץ את זרם הקולט לעבור לכיוון הטרנזיסטור PNP TR1 המגביר את כונן הבסיס של TR2 ואת התהליך מתחזק.

התנאי הנ'ל מאפשר לשני הטרנזיסטורים לשפר את ההולכה שלהם עד לנקודת הרוויה עקב לולאת המשוב המוצגת על ידי תצורת ההתחדשות שלהם, אשר שומרת על המצב נעול ונעל.

לפיכך ברגע שה- SCR מופעל, הוא מאפשר לזרם לזרום מהאנודה שלו לקתודה עם התנגדות קדימה מינימלית בלבד של סביב המגיע בדרך, ומבטיח הולכה ותפעול יעילים של המכשיר.

כאשר הוא נתון ל- AC, ה- SCR עשוי לחסום את שתי המחזוריות של ה- AC עד שה- SCR מוצע עם מתח הפעלה על פני השער והקתודה שלו, המאפשר באופן מיידי לחצי המחזור החיובי של ה- AC לעבור על פני מובילי הקתודה האנודה, המכשיר מתחיל לחקות דיודת מיישר רגילה, אך רק כל עוד הדק של השער נשאר מופעל, ההולכה נשברת ברגע שמסירים את ההדק.

בתמונות הבאות ניתן לראות את עקומות המאפיינים המאולצות של זרם המתח או ה- I-V להפעלת מיישר מבוקר סיליקון:

עקומות מאפיינים של תיריסטור IV

עם זאת עבור כניסת DC, ברגע שהטיריסטור מופעל, בשל ההולכה המתחדשת ההסברתית הוא עובר פעולת סגר כך שהולכת האנודה לקתודה מחזיקה וממשיכה להתנהל גם אם מפעיל את שער השער.

לפיכך עבור כוח DC השער מאבד לחלוטין את השפעתו ברגע שמופעל הדופק ההדק הראשון על פני שער המכשיר ומבטיח זרם נעול מהאנודה שלו לקתודה. הוא עלול להישבר על ידי שבירה לרגע של מקור זרם האנודה / הקתודה בזמן שהשער אינו פעיל לחלוטין.

SCR לא יכול לעבוד כמו BJT

SCR לא תוכנן להיות אנלוגי לחלוטין כמו עמיתיהם הטרנזיסטורים, ולכן לא ניתן לגרום להם להתנהל באזור פעיל ביניים כלשהו עבור עומס שעשוי להיות איפשהו בין הולכה מלאה לכיבוי התחרות.

זה נכון גם מכיוון שלטריגר השער אין כל השפעה על מידת האנודה לקתודה שניתן לגרום להולכה או להרוויה, ולכן אפילו מספיק דופק שער רגעי קטן בכדי להניף את האנודה להולכת הקתודה למתג מלא.

התכונה שלעיל מאפשרת להשוות SCR ולהחשיב אותו כמו תפס Bistable המחזיק בשני המצבים היציבים, או ON מלא או OFF מלא. זה נגרם עקב שני המאפיינים המיוחדים של ה- SCR בתגובה לכניסות AC או DC, כמוסבר בסעיפים לעיל.

כיצד להשתמש בשער של SCR כדי לשלוט במיתוגו

כפי שנדון קודם לכן, ברגע שמופעל SCR עם כניסת DC וקתודת האנודה שלו נעולה בעצמה, זה עשוי להיות נעול או כבוי או על ידי הסרה לרגע של מקור אספקת האנודה (זרם האנודה Ia) באופן מלא, או על ידי הקטנת אותו לחלק רמה נמוכה משמעותית מתחת לזרם ההחזקה שצוין של המכשיר או 'זרם ההחזקה המינימלי' Ih.

זה מרמז כי יש להפחית את זרם ההחזקה המינימלי של האנודה לקתודה עד שקשר התריסים הפנימי של התיריסטורים יוכל להחזיר את תכונת החסימה הטבעית שלה לפעולה.

לכן זה גם אומר שכדי לגרום ל- SCR לעבוד או להתנהל עם מפעיל שער זה הכרחי שהזרם לעומס האנודה לקתודה יהיה מעבר ל'זרם ההחזקה המינימלי 'שצוין Ih, אחרת ה- SCR עלול להיכשל ביישום הולכת העומס, לכן אם IL הוא זרם העומס, זה חייב להיות כמו IL> IH.

עם זאת, כפי שכבר דובר בסעיפים הקודמים, כאשר משתמשים בזרם AC על פני SCR Anode. סיכות קטודה, מבטיח כי SCR אינו רשאי לבצע את אפקט התפס כאשר הסרת כונן השער.

הסיבה לכך היא שאות ה- AC מתחלף ונכבה בתוך קו המעבר האפס שלו השומר על האנודה SCR לזרם הקתודה כדי לכבות בכל מעבר של 180 מעלות במחזור החיובי החיובי של צורת הגל AC.

תופעה זו מכונה 'שינויים טבעיים' ומטילה תכונה מכריעה על הולכת SCR. בניגוד לזה עם אספקת DC, תכונה זו הופכת לחשובה עם SCRs.

אך מכיוון ש- SCR נועד להתנהג כמו דיודת מיישר, הוא מגיב ביעילות רק למחזורי המחצית החיוביים של זרם זרם זרם ונשאר מוטה הפוך לחלוטין ולא מגיב למחצית השנייה של זרם חילופין, אפילו בנוכחות אות שער.

זה מרמז כי בנוכחות טריגר שער, ה- SCR מוליך על פני האנודה שלו לקתודה רק במחזורי מחזור ה- AC החיוביים בהתאמה ונשאר מושתק במחצית השנייה.

בשל תכונת התפס שהוסברה לעיל וגם חיתוך המחזור השני של צורת גל AC, ניתן להשתמש ב SCR ביעילות לקיצוץ מחזורי AC בשלב כך שניתן להחליף את העומס בכל רמת הספק נמוכה (מתכווננת) רצויה. .

הידוע גם בשם בקרת פאזה, ניתן ליישם תכונה זו באמצעות אות מתוזמן חיצוני המופעל מעבר לשער ה- SCR. אות זה מחליט לאחר כמה עיכובים ה- SCR עשוי להיות מופעל לאחר שלב שלב ה- AC התחיל את מחציתו החיובית.

אז זה מאפשר להחליף רק את החלק הזה של גל ה- AC שעובר אחרי ההדק של השער .. בקרת פאזה זו היא בין המאפיינים העיקריים של תיריסטור מבוקר סיליקון.

כיצד ניתן להבין תיריסטורים (SCR) בבקרת פאזה על ידי התבוננות בתמונות למטה.

התרשים הראשון מציג SCR שהשער שלו מופעל לצמיתות, כפי שניתן לראות בתרשים הראשון זה מאפשר לצורת הגל החיובית המלאה להתחיל מההתחלה ועד הסוף, מעבר לרוחב קו האפס המרכזי.

בקרת שלב תיריסטור

בתחילת כל חצי מחזור חיובי ה- SCR הוא 'OFF'. על אינדוקציה של מתח השער מפעיל את ה- SCR להולכה ומאפשר את תפסתו לחלוטין 'ON' לאורך מחצית המחזור החיובית. כאשר התיריסטור מופעל בתחילת מחצית המחזור (θ = 0o), העומס המחובר (מנורה או כל דבר דומה) יהיה 'פועל' במשך כל המחזור החיובי של צורת הגל AC (AC מתוקן מחצית הגל) ) במתח ממוצע גבוה של 0.318 x Vp.

כאשר האתחול של מתג השער מופעל לאורך מחצית המחזור (θ = 0o עד 90o), המנורה המחוברת דולקת למשך זמן קטן יותר והמתח נטו המובא למנורה, באופן פחות פרופורציונלי, פחות משחרר את עוצמתה.

לאחר מכן קל לנצל מיישר מבוקר סיליקון כמעמם אור AC וביישומים רבים אחרים של הספק AC למשל: בקרת מהירות מנוע AC, התקני בקרת חום ומעגלי ויסות כוח, וכן הלאה.

עד עכשיו היינו עדים לכך שתיריסטור הוא ביסודו מכשיר של חצי גל המסוגל להעביר זרם רק במחצית החיובית של המחזור בכל פעם שהאנודה חיובית ומונע זרימת זרם ממש כמו דיודה במקרים בהם האנודה היא שלילית. , גם אם זרם השער נשאר פעיל.

אף על פי כן, תוכלו למצוא גרסאות רבות נוספות של מוצרי מוליכים למחצה דומים לבחירה שמקורם תחת הכותרת 'תיריסטור' שנועדה לפעול בשני הכיוונים של מחצית המחזור, יחידות גל מלא, או שאפשר היה לכבות אותן 'OFF' על ידי אות השער. .

סוג זה של מוצרים כולל 'שער כיבוי תיריסטורים' (GTO), 'תיריסטורי אינדוקציה סטטיים' (SITH), 'תיריסטורים מבוקרי MOS' (MCT), 'מתג מבוקר סיליקון' (SCS), 'טריודה רודנים' (TRIAC) ו- 'אור טריזיסטרים מופעלים' (LASCR) לזיהוי מעטים, כאשר כל כך הרבה מהתקנים הללו נגישים בציוני מתח וזרם רבים ושונים, מה שהופך אותם למעניינים לשימוש במטרות ברמות הספק גבוהות מאוד.

סקירה כללית על תיריסטור

מיישרים מבוקרי סיליקון המכונים בדרך כלל תיריסטורים הם מכשירי מוליכים למחצה PNPN בעלי שלושה צמתים שיכולים להיחשב לשני טרנזיסטורים מחוברים זה לזה, בהם תוכלו להשתמש במיתוג עומסי חשמל כבדים המופעלים על ידי חשמל.

הם מאופיינים להיות נעולים - 'פועלים' על ידי דופק יחיד של זרם חיובי המופעל על עופרת השער שלהם ויכול להמשיך להיות 'פועל' בלי סוף עד שהזרם האנודה לקתודה יופחת מתחת למדד התפס המינימלי שצוין או יתהפך.

תכונות סטטיות של תיריסטור

תיריסטורים הם ציוד מוליכים למחצה שמוגדר לתפקד רק בפונקציית המיתוג. תיריסטור הם מוצרים מבוקרי זרם, זרם שער זעיר מסוגל לשלוט בזרם אנודה משמעותי יותר. מאפשר זרם רק פעם אחת מוטה קדימה ומפעיל זרם המופעל על השער.

התיריסטור פועל בדומה לדיודת מיישר בכל פעם שהוא מופעל 'מופעל'. זרם האנודה צריך להיות יותר משמירה על הערך הנוכחי כדי לשמור על הולכה. מעכב את המעבר הנוכחי במקרה שמוטה הפוך, ללא קשר אם זרם השער מונח או לא.

ברגע שמופעל ל'מופעל ', הוא נעול' פועל ', ללא קשר אם זרם שער מוחל, אך רק במקרה שזרם האנודה נמצא מעל זרם התפס.

תיריסטורים הם מתגים מהירים שבאמצעותם ניתן להחליף ממסרים אלקטרומכניים במספר מעגלים מכיוון שפשוט אין להם חלקים רוטטים, אין מגע בקשת או שיש להם בעיות בהידרדרות או בזוהמה.

אך בנוסף להעברת זרמים מהותיים למצב 'ON' ו- 'OFF', ניתן להשיג תיריסטורים לניהול ערך ה- RMS של זרם עומס זרם חילופין מבלי להפיץ כמות ניכרת של כוח. דוגמה מצוינת לבקרת כוח תיריסטור היא בשליטה על תאורה חשמלית, תנורי חימום ומהירות המנוע.

במדריך הבא נבחן כמה בסיסים מעגלי ויישומי תיריסטור באמצעות ספקי AC וגם DC.