Silicon Controlled Rectifier (SCR) – Vinna, smíði, kveikjuaðferðir, gerðir og forrit

Kísilstýrður afriðlari (SCR) er lykilafl hálfleiðara tæki sem er mikið notað til að stjórna háspennu og straumi í raf- og iðnaðarkerfum. Hæfni þess til að skipta um og stjórna afli á skilvirkan hátt gerir það gagnlegt í breytum, mótordrifum og sjálfvirknirásum. Þessi grein útskýrir SCR smíði, vinnureglu, eiginleika, gerðir og hagnýt forrit á skýran og skipulagðan hátt.

Hvað er kísilstýrður afriðlari (SCR)?

Kísilstýrður afriðlari (SCR) er þriggja stöðva afl hálfleiðara tæki sem notað er til að stjórna og skipta um háspennu og straum í rafrásum. Það er meðlimur í tyristor fjölskyldunni og hefur fjögurra laga PNPN uppbyggingu. Ólíkt einfaldri díóða, leyfir SCR stýrða rofa vegna þess að hún kveikir aðeins á þegar hliðarmerki er beitt. Það er mikið notað í AC/DC breytum, mótordrifum, rafhlöðuhleðslutækjum og iðnaðar sjálfvirkni vegna mikillar aflmeðhöndlunargetu og skilvirkni.

Smíði og tákn SCR

Kísilstýrður jafnli (SCR) er smíðaður með því að nota fjögur lög til skiptis af hálfleiðaraefnum af P-gerð og N-gerð og mynda PNPN uppbyggingu með þremur mótum: J1, J2 og J3. Það hefur þrjár útstöðvar:

• Rafskaut (A): Tengt við ytra P-lagið

• Bakskaut (K): Tengt við ytra N-lagið

• Hlið (G): Tengt við innra P-lagið og notað til að kveikja

Innbyrðis er hægt að móta SCR sem tvo samtengda smára - einn PNP og einn NPN - sem mynda endurnýjandi endurgjöfarlykkju. Þessi innri uppbygging útskýrir læsingarhegðun SCR, þar sem hún heldur áfram að leiða jafnvel eftir að hliðarmerkið er fjarlægt.

SCR táknið líkist díóða en inniheldur hliðarstöð til að stjórna. Straumur rennur frá rafskauti til bakskauts þegar tækið er ræst í gegnum hliðið.

Rekstur SCR

SCR starfar í þremur rafástandum sem byggjast á rafskautsspennu og hliðarmerki:

Öfug lokunarstilling

Þegar rafskautið er gert neikvætt miðað við bakskautið eru mótin J1 og J3 öfug hlutdræg. Aðeins lítill lekastraumur flæðir. Ef farið er yfir öfuga spennumörk geta það skemmt tækið.

Áfram lokunarstilling (slökkt ástand)

Með rafskautið jákvætt og bakskautið neikvætt eru mótin J1 og J3 framhlutdræg á meðan J2 er öfug hlutdræg. SCR helst slökkt í þessu ástandi jafnvel þó að áfram voltage er beitt, sem kemur í veg fyrir straumflæði þar til kveikja er gefin.

Leiðnistilling fram á við (ON ástand)

Með því að beita hliðpúls í framhlutdrægni sprautast burðarefni sem fram-hlutdrægni móta J2, sem leyfir leiðni. Þegar kveikt er á SCR læsist og heldur áfram að stjórna, jafnvel eftir að hliðarmerkið er fjarlægt, svo framarlega sem straumur helst yfir biðstraumnum.

V-I einkenni SCR

V-I eiginleikinn skilgreinir hvernig straumur tækisins bregst við beittritage á mismunandi rekstrarsvæðum:

• Öfugt lokunarsvæði: Lágmarksstraumur flæðir undir öfugri hlutdrægni þar til bilun á sér stað.

• Framstíflusvæði: Framspenna eykst en straumur helst lágur þar til frambrotsspennu (VBO) er náð.

• Framleiðnisvæði: Eftir að hafa verið ræst með hliðarpúlsi fer SCR hratt yfir í ON ástand með lágu viðnám með litlu framspennufalli (1–2V).

Aukinn hliðarstraumur færir frambrotsspennuna lægri, sem gerir kleift að kveikja fyrr á henni. Þetta er gagnlegt í fasastýrðum rafrásum.

Skiptaeiginleikar SCR

Skiptieiginleikar lýsa hegðun SCR við umskipti á milli OFF og ON ástanda:

• Kveikjutími (tonn): Tími sem þarf til að SCR skipti að fullu úr OFF í ON eftir hliðarpúls. Það samanstendur af seinkunartíma, hækkunartíma og dreifingartíma. Hraðari kveikja tryggir skilvirka skiptingu í breytum og inverterum.

• Slökkvitími (tq): Eftir að leiðni stöðvast þarf SCR tíma til að endurheimta getu sína til að loka áfram vegna geymdra hleðslubera. Þessi seinkun er eftirsótt í hátíðniforritum og ytri umbreytingarrásir eru nauðsynlegar í DC kerfum.

Tegundir SCR

SCR eru fáanlegar í mismunandi byggingarstílum og frammistöðuflokkum til að uppfylla kröfur ýmissa spennu-, straum- og rofaforrita. Hér að neðan eru helstu tegundir SCR útskýrðar án þess að nota töflusnið, eins og óskað er eftir.

Stakur plast SCR

Þetta er lítill SCR með litlum krafti sem venjulega er pakkað í TO-92, TO-126 eða TO-220 hlífar. Það er hagkvæmt og almennt notað í rafrásum með litlum straumi. Þessar SCR eru tilvalin fyrir einfalda AC rofa, lágaflsstýrikerfi, ljósdeyfa og rafhlöðuhleðslurásir.

Plast eining SCR

Þessi tegund er hönnuð fyrir miðlungs til mikla straummeðhöndlun. Það er lokað í fyrirferðarlítilli plasteiningu sem veitir rafeinangrun og auðvelda uppsetningu. Þessar SCR eru mikið notaðar í UPS kerfum, iðnaðaraflstýringareiningum, suðuvélum og hraðastýringum mótora.

Ýttu á pakka SCR

Pressupakki SCR eru þung tæki sem eru byggð í sterkum málmdiskalíkum pakka. Þeir bjóða upp á framúrskarandi hitauppstreymi og mikla straumgetu og þurfa ekki lóðun. Þess í stað eru þau klemmd á milli hitavaska undir þrýstingi, sem gerir þau hentug fyrir áreiðanleika eins og iðnaðardrif, togkerfi, HVDC aflflutning og raforkukerfi.

Fljótur að skipta um SCR

Hraðskipt SCR, einnig kallað inverter-gráðu SCR, eru hönnuð fyrir hringrásir sem starfa á hærri tíðni. Þeir hafa stuttan slökkvitíma og minni skiptitap samanborið við venjulega SCR. Þessi tæki eru almennt notuð í hakkavélum, DC–DC breytum, hátíðniinverterum og púlsaflgjafa.

Kveikja aðferðir við SCR

Mismunandi leiðir til að kveikja á SCR í leiðni eru:

Hliðkveikja (algengast): Lágafls hliðpúls kveikir á SCR á stjórnaðan hátt. Notað í flestum iðnaðarforritum.

Áfram Voltage Kveikja: Ef áfram voltage fer yfir breakover voltage, SCR kveikir á án hliðarpúls, almennt forðast vegna álags á tækið.

Hitauppstreymi (óæskilegt): Umfram hitastig getur óviljandi hafið leiðni; forðast verður óviðeigandi kælingu.

Ljóskveikja (LASCR): Ljósnæmar SCR nota ljóseindir til að kveikja á leiðni í háspennueinangrunarforritum.

dv/dt kveikja (óæskilegt): Hröð hækkun á framspennu getur valdið því að kveikt sé á slysni vegna rýmdar móta. Snubber hringrásir koma í veg fyrir þetta.

Kostir og takmarkanir SCR

Kostir SCR

• Mikil afl- og spennumeðhöndlun: SCR eru fær um að stjórna miklu magni af afli, oft á bilinu hundruð til þúsundir volta og amper, sem gerir þau hentug fyrir stóriðjunotkun eins og mótordrif, HVDC gírskiptingu og aflbreyta.

• Mikil afköst og lítið leiðnitap: Þegar kveikt er á SCR leiðir það með mjög litlu spennufalli (venjulega 1–2 volt), sem leiðir til lítillar afldreifingar og mikillar rekstrarskilvirkni.

• Lítil hliðstraumsþörf: Tækið þarf aðeins lítinn kveikjustraum á hliðarstöðinni til að kveikja á, sem gerir einföldum lágaflsstýrirásum kleift að skipta um mikið aflálag.

• Harðgerð smíði og hagkvæm hönnun: SCR eru vélrænt sterkir, hitastöðugir og hannaðir til að standast mikla bylgjustrauma. Einföld innri uppbygging þeirra gerir þá einnig tiltölulega ódýra miðað við aðra hálfleiðararofa.

• Hentar fyrir rafstraumsstýringu: Vegna þess að SCR slökkva náttúrulega þegar straumstraumurinn fer yfir núll (náttúruleg umskipti), eru þau tilvalin fyrir AC fasastýringarforrit eins og ljósdeyfa, hitastýringar og AC spennujafnara.

Takmarkanir á SCR

• Einátta leiðni: SCR leiðir straum aðeins í áframátt. Það getur ekki hindrað afturstraum á áhrifaríkan hátt nema það sé notað með viðbótaríhlutum eins og díóðum, sem takmarkar notkun þess í sumum AC stjórnrásum.

• Ekki er hægt að slökkva á með hliðstöðinni: Þó að hægt sé að kveikja á SCR í gegnum hliðið, bregst það ekki við neinu hliðarmerki um slökkvi. Straumurinn verður að falla undir biðstrauminn eða nota þarf þvingaða umbreytingartækni í DC hringrásum.

• Krefst umbreytingarrása í DC forritum: Í hreinum DC hringrásum fær SCR ekki náttúrulegan núllpunkt til að slökkva á. Ytri umbreytingarrásir eru nauðsynlegar, sem eykur flækjustig hringrásar og kostnað.

• Takmarkaður skiptihraði: SCR eru tiltölulega hægir miðað við nútíma hálfleiðararofar eins og MOSFETs eða IGBT. Þetta gerir þau óhentug fyrir hátíðniskipti.

• Viðkvæmt fyrir háum dv/dt og yfirspennuskilyrðum: Hröð hækkun á spennu yfir SCR eða of mikil tímabundin spenna getur kallað fram ranga kveikju, sem hefur áhrif á áreiðanleika. Snubber hringrásir og viðeigandi hlífðaríhlutir eru nauðsynlegir til að koma í veg fyrir miskveikingu og bilun í tæki.

Umsóknir um SCR

• Stýrðir afriðlar (AC til DC breytir) – Notaðir í hleðslu rafhlöðu og breytilegra DC-gjafa.

• AC Voltage Stýringar - Ljósdeyfar, viftuhraðastýringar og hitastýringar.

• DC mótorhraðastýring - Notað í DC-drifum með breytilegum hraða.

• Inverterar og breytir - Fyrir DC í AC aflbreytingu.

• Yfirspennuvörn (kúbeinsrásir) - Verndar aflgjafa gegn spennubylgjum.

• Static Switches / Solid State Relays – Hröð skipting án vélræns slits.

• Aflstýringar - Notað í örvunarhitun og iðnaðarofnum.

• Mjúkræsir fyrir mótora – Stjórnar innrásarstraumi við ræsingu mótors.

• Aflflutningskerfi – Notað í HVDC (High Voltage Direct Current) kerfum.

SCR vs GTO samanburður

Gate Turn-Off Thyristor (GTO) er annar meðlimur thyristor fjölskyldunnar og er oft borinn saman við SCR.

Prófar SCR með Ohmmeter

Áður en SCR er sett upp í rafrás er mikilvægt að ganga úr skugga um að það sé rafheilbrigt. Biluð SCR getur valdið skammhlaupi eða bilun í öllu kerfinu. Grunnprófanir er hægt að gera með því að nota stafrænan eða hliðrænan margmæli ásamt litlu DC framboði til að kveikja á sannprófun.

1 Gat-til-bakskautsmótapróf

Þetta athugar hvort hliðarmótin hegði sér eins og díóða.

• Stilltu margmælirinn á díóðaprófunarham

• Tengdu jákvæðan (+) nema við hlið (G) og neikvæðan (–) nema við bakskautið (K). Venjulegur lestur sýnir framspennufall á milli 0,5V og 0,7V

• Snúið nemunum við (+ til K, – til G). Mælirinn ætti að sýna OL (opin lykkja) eða mjög mikla viðnám

Próf fyrir blokkun rafskauts til bakskauts

Þetta tryggir að SCR sé ekki stutt innbyrðis.

• Haltu margmælinum í díóðastillingu eða viðnámsstillingu

• Tengdu + rannsaka við rafskaut (A) og – rannsaka við bakskaut (K). SCR ætti að loka fyrir straum og sýna opna hringrás (engin leiðni)

• Snúðu könnunum við (+ til K, – til A). Lestur ætti samt að vera opinn hringrás

SCR kveikja (læsa) próf

Þetta staðfestir hvort SCR geti kveikt og læst rétt.

• Notaðu 6V eða 9V rafhlöðu með 1kΩ viðnámi í röð

• Tengdu rafhlöðu + við rafskaut (A) og rafhlöðu – við bakskaut (K)

• Tengdu hlið (G) stuttlega við rafskaut í gegnum 100–220Ω viðnám. SCR ætti að kveikja á og læsa, leyfa straumi að flæða jafnvel eftir að hliðartengingin hefur verið fjarlægð.

• Til að slökkva á því skaltu aftengja rafmagnið - SCR losnar

Niðurstaða

Kísilstýrði afriðlarinn er áfram lykilþáttur í aflstýringarkerfum vegna skilvirkni, mikils áreiðanleika og getu til að takast á við mikið rafálag. Allt frá AC spennustjórnun til DC mótorstýringar og iðnaðarbreytingakerfa, SCR halda áfram að gegna mikilvægu hlutverki í rafmagnsverkfræði. Traust tök á grunnatriðum SCR hjálpa til við að hanna öruggar og skilvirkar rafrásir.

Algengar spurningar [algengar spurningar]

Hver er munurinn á SCR og TRIAC?

TRIAC getur leitt straum í báðar áttir og er notað í AC stýringarforritum eins og dimmerum og viftustýringum. SCR leiðir straum aðeins í eina átt og er aðallega notað til DC stýringar eða leiðréttingar.

Af hverju þarf SCR umbreytingarrás?

Í DC hringrásum getur SCR ekki slökkt með því að nota hliðstöðina eina og sér. Umbreytingarrás neyðir strauminn til að falla niður fyrir haldstrauminn, sem hjálpar SCR að slökkva á öruggum hætti.

Hvað veldur því að SCR mistakast?

SCR bilun stafar venjulega af ofspennu, miklum bylgjustraumi, óviðeigandi hitaleiðni eða dv/dt-virkjuðum fölskum rofa. Notkun snubber hringrása og hitavaska hjálpar til við að koma í veg fyrir bilun.

Getur SCR stjórnað rafstraumi?

Já, SCR geta stjórnað riðstraumi með fasahornsstýringu. Með því að seinka skothorni hliðarmerkisins í hverri AC lotu er hægt að stilla úttaksspennuna og aflið sem afhent er til álagsins.

Hver er biðstraumurinn í SCR?

Að halda straumi er lágmarksstraumurinn sem þarf til að halda SCR í ON ástandi. Ef straumurinn fer niður fyrir þetta stig slekkur SCR sjálfkrafa á sér jafnvel þótt hann hafi áður verið ræstur.