Comprensione del raddrizzatore controllato dal silicio (SCR)
Il raddrizzatore controllato dal silicio (SCR) è una parte fondamentale dell'elettronica di potenza, evolvendo dal diodo Shockley più semplice.Il diodo Shockley fungeva da interruttore di base ma non poteva essere controllato esternamente.Aggiunta di un terminale di gate per creare il controllo preciso consentito SCR sulla sua conduzione, trasformandolo in un componente attivo per la gestione della potenza in vari circuiti.Questo articolo copre la struttura e il funzionamento dell'SCR, compresa la sua configurazione interna e il meccanismo di feedback positivo per la commutazione efficiente.Spiega diversi metodi di innesco e la necessità di un'attivazione controllata per prestazioni affidabili.L'articolo discute anche di test di funzionalità SCR, usi nel controllo di alimentazione CA, tecniche di attivazione avanzata, tipi di SCR e nuove tendenze nella tecnologia SCR.L'obiettivo è quello di fornire una chiara comprensione degli SCR, di come funzionano e del loro ruolo nell'elettronica moderna.Catalogare
Diodo Shockley a SCR
Figura 1: diodo Shockley
Il diodo Shockley, una prima versione del dispositivo PNPN, funziona come un interruttore di base che si accende quando raggiunge una certa tensione.Tuttavia, ha un uso limitato perché manca di controllo sulla sua commutazione.L'introduzione dell'SCR migliora il diodo Shockley aggiungendo un terminale di gate.Questa aggiunta consente il controllo esterno dello stato di conduzione del dispositivo, cambiandolo da un semplice passaggio a un componente attivo in grado di gestire livelli di potenza più elevati con una maggiore precisione.Questo cambiamento aumenta notevolmente l'utilità del dispositivo, rendendolo adatto a molti più circuiti elettronici.
La struttura del raddrizzatore controllato in silicio
Figura 2: interruttore controllato dal silicio
L'evoluzione da un diodo Shockley a un SCR comporta l'aggiunta di un terminale di gate alla struttura PNPN esistente.Questo terminale di gate consente a SCR di essere controllato da un segnale esterno, fornendo un modo per accendere e spegnere il dispositivo secondo necessità.Questo cambiamento rende l'SCR un componente attivo, espandendo notevolmente il suo uso in vari circuiti elettronici.La capacità di controllare l'azione di commutazione con un segnale esterno crea nuove possibilità per una gestione precisa dell'alimentazione, che è molto utile per le moderne applicazioni elettroniche.
Struttura e funzionamento di un SCR
Figura 3: Struttura e funzionamento di un SCR
Un SCR è costituito da quattro strati di semiconduttore che formano tre giunzioni PN, con un anodo, un catodo e un terminale di gate.Quando il cancello viene lasciato non collegato, l'SCR agisce come un diodo Shockley, acceso quando viene raggiunta la tensione di rottura.Tuttavia, l'applicazione di una piccola tensione al cancello consente di attivare la SCR di proposito.
Percorso di conduzione SCR
Quando viene applicata una piccola corrente al cancello, il transistor inferiore nell'SCR si accende.Questa azione gira quindi il transistor superiore, creando un ciclo che mantiene lo SCR nello stato "su", consentendo alla corrente di fluire dall'anodo al catodo.Dopo ciò accade, la corrente del gate non è più necessaria per mantenere l'SCR acceso.L'SCR ha due transistor che lavorano insieme per tenerlo acceso una volta che inizia.Questo design aiuta l'SCR a passare rapidamente da On a On.
Figura 4: percorso di conduzione SCR
Per capire come funziona un SCR, guarda la sua configurazione interna.Quando un impulso viene inviato al gate, attiva il transistor inferiore, lasciando passare la corrente attraverso il transistor superiore e mantenendo quello inferiore.Questo ciclo garantisce che l'SCR rimanga acceso fino a quando la corrente non scende al di sotto di un certo livello, chiamato corrente di tenuta.Ciò rende gli SCR utili per cambiare e gestire la potenza in modo affidabile.
Metodi di innesco e fuoco
L'innesco, chiamato anche sparo, significa applicare un impulso di tensione al terminale del gate di SCR.Questo metodo si assicura che SCR si accenda solo quando necessario, non importa se la tensione supera il punto di rottura.Il trigger inverso, che disattiva l'SCR applicando una tensione negativa al gate, può anche essere fatto ma è meno efficiente perché richiede molta corrente.
Simbolo del tiristore del gate (GTO)
Figura 5: simbolo GTO
Attivazione di un SCR è la chiave per il suo funzionamento.La corrente del gate necessaria per attivare un SCR è molto inferiore alla corrente che scorre attraverso il dispositivo, fornendo una certa amplificazione.Una volta attivato, l'SCR rimane nello stato conduttore fino a quando la corrente attraverso di esso non scende al di sotto di un certo livello, noto come corrente di detenzione.Questa caratteristica è molto utile nelle applicazioni in cui è necessaria la commutazione controllata, garantendo che l'SCR rimanga acceso fino a quando la corrente di carico non scende abbastanza da spegnerlo.Questa attivazione e disattivazione controllate rendono gli SCR molto adatti per applicazioni che richiedono una gestione precisa dell'alimentazione.
Test di funzionalità SCR
Per verificare se un SCR funziona, è possibile iniziare con un controllo di base usando un ohmmetro per misurare la giunzione da gate-tode.Tuttavia, questo semplice test non è sufficiente.Devi anche vedere come si comporta in carico SCR.Per un test approfondito, impostare un circuito con una sorgente di alimentazione CC e interruttori a pulsante per osservare come si accende e spegne quando è collegato a un carico.
Figura 6: Circuito di test SCR
Per garantire che gli SCR funzionino correttamente, sono coinvolti diversi passaggi nei loro test.È possibile creare un semplice circuito di prova utilizzando un alimentatore CC, una resistenza di carico e interruttori a pulsante per simulare i processi di attivazione e mantenimento.Guardando il comportamento di SCR in questa configurazione, si può confermare la sua capacità di aggrapparsi e disattivare come previsto.Questo processo di test aiuta a diagnosticare potenziali problemi e garantisce l'affidabilità degli SCR nelle applicazioni del mondo reale.Test completi in condizioni di carico effettive aiutano a trovare punti deboli o difetti nell'SCR, garantendo prestazioni affidabili nelle applicazioni esigenti.
CONTROLLO DI SCR di potenza AC
Gli SCR vengono spesso utilizzati quando devono essere commutate grandi quantità di potenza, ma i circuiti di controllo gestiscono solo piccoli e tensione per semplicità e affidabilità.Ciò rende gli SCR perfetti per le situazioni che necessitano di meccanismi di controllo forti ma sensibili.Ad esempio, la potenza di scatto del gate di un SCR può essere a partire da 50 microwatt (1 V, 50 µA), garantendo che i contatti azionari gestiscano solo questo piccolo segnale.Una volta attivato, l'SCR può gestire e cambiare direttamente i carichi di uscita, fornendo fino a 100 watt o più.Ciò consente un controllo efficiente dei sistemi ad alta potenza con sforzo minimo sui circuiti di controllo.
Figura 7: SCR nel controllo di alimentazione CA
In termini di come funzionano, il comportamento inverso dell'SCR è come un tipico diodo del raddrizzatore di silicio, fungendo da circuito aperto quando viene applicata una tensione negativa tra l'anodo e il catodo.Nella direzione in avanti, la SCR blocca il flusso di corrente fino a quando la tensione supera un punto di rottura specifico, a meno che non venga applicato un segnale di gate.Quando viene superata la tensione di rottura in avanti o viene introdotta un segnale di gate appropriato, l'SCR passa rapidamente a uno stato conduttore, con una caduta a bassa tensione in avanti simile a quella di un raddrizzatore a giunzione singola.Questa rapida capacità di commutazione garantisce che l'SCR possa gestire in modo affidabile i carichi ad alta potenza mantenendo un requisito di potenza a bassa potenza per le operazioni di controllo.
Figura 8: interruttore in serie
La figura sopra mostra un semplice switch in serie che invia un segnale CA al cancello di SCR.Il resistore R1 limita la corrente del gate per mantenerlo al sicuro, mentre il diodo D impedisce alla tensione inversa di influenzare il gate durante il ciclo non conduttore.Il carico (RL) collegato all'anodo può essere qualsiasi valore entro i limiti di SCR.Questa configurazione garantisce che l'SCR funzioni in modo affidabile, con innesco e protezione controllati dalla sollecitazione elettrica.
Figura 9: forme d'onda Switch AC
Quando Switch S è aperto, l'SCR rimane spento anche se è presente la potenza CA.La chiusura dell'interruttore S consente alla parte positiva del ciclo CA di attivare l'SCR, causando la condotta perché l'anodo è positivo.L'SCR si accende per meno della metà del ciclo e rimane fuori durante la parte negativa del ciclo.La chiusura dei controlli S quando l'SCR si accende, consentendo alla corrente di fluire attraverso il carico.Per fermare la corrente, è possibile aprire Switch o attendere il ciclo negativo, che disattiva l'SCR.Questa configurazione consente un facile controllo del flusso di corrente nel circuito.
Figura 10: shunt interruttore
Per controllare un SCR, puoi usare DC sul cancello.Applicare DC al cancello accende l'SCR.Un altro modo è l'utilizzo di un interruttore tra il gate e il catodo.L'apertura dell'interruttore accende l'SCR, consentendo alla corrente di fluire attraverso il carico.Per disattivare l'SCR e arrestare la corrente, chiudere l'interruttore o applicare una tensione negativa sull'anodo.Questo metodo aiuta a controllare i dispositivi come la velocità del motore e i livelli di potenza.
Figura 11: caricamento corrente con interruttore chiuso
Sono illustrati altri due semplici metodi per la commutazione della potenza dei carichi.Nel primo circuito, chiudere l'azionamento delle forniture di contatto alimentazione al carico, mentre l'apertura del contatto interrompe la potenza.Al contrario, il secondo circuito funziona al contrario: l'alimentazione viene fornita al carico solo quando il contatto è aperto.Entrambi i circuiti possono essere impostati su "Litch" utilizzando un'alimentazione CC anziché l'AC mostrato.
Nel primo circuito, un divisore di tensione composto da resistori R2 e R3 fornisce il segnale di gate CA all'SCR.Ciò consente a SCR di sparare e fornire energia quando il contatto è chiuso.Nel secondo circuito, la chiusura dell'interruttore fa sì che il gate e il catodo abbiano lo stesso potenziale, impedendo a SCR di sparare e tagliare così la potenza al carico.Questa semplice configurazione garantisce un controllo chiaro e prevedibile della potenza al carico in entrambe le configurazioni.
Figura 12: caricamento corrente con interruttore aperto
La potenza CA può essere controllata usando il circuito mostrato di seguito.In questa configurazione, due SCR sono collegati back-to-back per gestire entrambi i semi cicli della tensione CA.Questa configurazione garantisce che ogni SCR gestisca un mezzo ciclo della forma d'onda CA, consentendo un controllo efficiente e preciso della potenza erogata al carico.
Figura 13: interruttore AC con due SCR
La corrente di controllo scorre alle porte attraverso il resistore R3 quando un interruttore esterno (meccanico o elettronico) collega i terminali di controllo.Questo interruttore può essere controllato da vari sensori come luce, calore o pressione, che attivano un amplificatore elettronico.Quando l'interruttore si chiude, gli SCR vengono attivati ad ogni ciclo CA, consentendo la potenza di fluire sul carico.Quando si apre l'interruttore, gli SCR non spara e nessuna potenza viene erogata al carico.Questo meccanismo gestisce efficacemente la potenza CA fornita al carico.
Applicazioni e tipi di SCRS
Gli SCR sono usati in molti campi perché hanno forti funzionalità di controllo.Questi includono la conversione di potenza, il controllo del motore e i sistemi di illuminazione.Sono stati sviluppati diversi tipi di SCR per soddisfare le esigenze specifiche:
SCR standard: Utilizzato per scopi generali.
SCRITURE SCRITURA FAST: Progettato per applicazioni ad alta frequenza.
SCR (LTS) innescato in luce: Utilizza la luce per il grilletto, fornendo isolamento elettrico.
GATE Turn-Off SCR (GTO): Consente il controllo sia di accensione che di spegnimento.
Blocco inverso SCR: Può bloccare la corrente in entrambe le direzioni.
CONTROLLO SCR del ponte trifase del carico
Ogni tipo di SCR è realizzato per esigenze specifiche.Gli SCR standard sono flessibili e utilizzati in molte applicazioni, mentre gli SCR a commutazione rapida sono perfetti per le operazioni ad alta velocità.Gli SCR innescati dalla luce (LTS) usano la luce per innescare il cancello, fornendo un eccellente isolamento elettrico.SCRS GATE OF GATE OFF (GTO) può essere attivato e disattivato, rendendoli adatti per applicazioni ad alta potenza.Gli SCR bloccanti inversi sono progettati per bloccare il flusso di corrente in entrambe le direzioni, migliorando il loro uso negli scenari di controllo dell'alimentazione CA.
Figura 14: Controllo SCR del ponte trifase del carico
Applicazioni pratiche e usi avanzati di SCRS
Gli SCR sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni a causa delle loro forti caratteristiche di controllo.Alcune applicazioni notevoli includono:
Sistemi di conversione di potenza: gli SCR sono componenti chiave nei sistemi di conversione di potenza, gestiscono la modifica dall'alimentazione AC a DC e viceversa.Questi sistemi sono utilizzati sia in contesti industriali che in elettronica di consumo, dove è necessaria un alimentazione stabile e affidabile.
Controllo del motore: nelle applicazioni di controllo del motore, SCRS regola la velocità e la coppia dei motori elettrici.Modificando l'angolo di scatto, SCRS controlla la potenza erogata al motore, consentendo un controllo preciso sul suo funzionamento.
Sistemi di illuminazione: gli SCR vengono utilizzati per attenuare le luci regolare controllando l'angolo di fase dell'alimentazione CA.Questa capacità fornisce risparmi energetici e migliora l'atmosfera nelle applicazioni di illuminazione.
Controlli di riscaldamento: nelle applicazioni di riscaldamento, gli SCR regolano la potenza erogata agli elementi di riscaldamento, mantenendo la temperatura desiderata con alta precisione.Ciò è particolarmente utile nei processi industriali che richiedono un controllo preciso della temperatura.
Circuiti di protezione: gli SCR fungono da COCHBAR nei circuiti di protezione, cortocircuitando l'alimentazione in caso di una condizione di sovratensione per proteggere i componenti elettronici sensibili dai danni.
L'ampia gamma di applicazioni mostra la flessibilità e l'utilità degli SCR nell'elettronica moderna, dove sono necessari un controllo preciso e prestazioni affidabili.
Analisi dettagliata delle caratteristiche SCR
Comprendere le caratteristiche specifiche degli SCR è la chiave per il loro uso efficace.Le caratteristiche chiave includono:
Tensione del trigger del gate (VGt)
La tensione minima di gate necessaria per accendere l'SCR.
Tenendo corrente (iH)
La corrente minima richiesta per mantenere la conduzione di SCR.
Cuccetto di corrente (iL)
La corrente minima necessaria per mantenere lo SCR nello stato "On" dopo il trigger del gate è stato rimosso.
Tensione di rottura (VBo)
La tensione a cui si accende l'SCR senza alcuna corrente di gate.
Tensione di blocco in avanti (VDRM)
La tensione massima che l'SCR può bloccare in avanti senza condurre.
Tensione di blocco inversa (VRrm)
La tensione massima che l'SCR può bloccare nella direzione inversa.
Caduta di tensione sullo stato (VTm)
La tensione scende attraverso l'SCR quando conduce.
valutazione DV/DT
Il tasso massimo di aumento della tensione fuori dallo stato che l'SCR può resistere senza accendere.
valutazione di/dt
Il tasso massimo di aumento della corrente sullo stato che l'SCR può gestire senza danni.
SCR Protection e Snubber Circuits
Per migliorare l'affidabilità degli SCR nelle applicazioni pratiche, vengono spesso utilizzati circuiti di protezione.Un metodo comune è l'uso di circuiti di snubber.Circuiti di snubber salvaguardano gli SCR da sollecitazioni DV/DT e DI/DT elevate, che possono causare guasti precoci.
Figura 15: protezione SCR
Per proteggere l'SCR da picchi improvvisi di tensione, ogni SCR in un circuito di convertitore ha una rete di snobber R-C parallela.Questa rete di Snubber salvaguarda l'SCR da picchi di tensione interna che si verificano durante il processo di recupero inverso.Quando l'SCR viene disattivato, la corrente di recupero inversa viene reindirizzata al circuito Snubber, che contiene elementi di archiviazione energetica.
I fulmini e le spese di commutazione sul lato di ingresso possono danneggiare il convertitore o il trasformatore.Per ridurre l'impatto di queste tensioni, i dispositivi di serraggio di tensione vengono utilizzati attraverso l'SCR.I dispositivi di serraggio della tensione comuni includono varisti di ossido di metallo, diodi del thirettore di selenio e soppressori dei diodi a valanga.
Questi dispositivi hanno una resistenza decrescente all'aumentare della tensione, fornendo un percorso a bassa resistenza attraverso l'SCR quando si verifica la tensione di aumento.La figura seguente mostra come un SCR è protetto da eccessive tensioni utilizzando un diodo a tirettore e una rete di snobber.
Tecniche di attivazione avanzata per SCRS
Figura 16: tecnica di attivazione
Al di là del semplice innesco di gate, i metodi avanzati possono migliorare ulteriormente le prestazioni SCR in configurazioni complesse.Questi metodi includono:
• Attivazione degli impulsi
L'uso di impulsi brevi e ad alta corrente per attivare l'SCR assicura che si accenda in modo affidabile anche in ambienti rumorosi.
• Attivazione controllata in fase
Allineare il trigger SCR con l'alimentazione CA consente un controllo preciso sull'alimentazione inviata al carico.
• Attivazione otticamente isolata
L'uso di isolatori ottici per attivare l'SCR fornisce isolamento elettrico e protegge i circuiti di controllo da alte tensioni.
• Attivazione basata su microcontrollori
L'uso di microcontrollori per generare impulsi di innesco precisi consente schemi di controllo sofisticati e prestazioni migliori in configurazioni complesse.
Attivazione SCR basata su microcontrollori
Figura 17: trigger SCR basato su microcontrollori
Queste tecniche di innesco avanzate offrono maggiore flessibilità e controllo nelle applicazioni SCR, rendendole adatte a una vasta gamma di elettronica industriale e di consumo.Utilizzando questi metodi, gli ingegneri possono ottenere un controllo più accurato e affidabile sui sistemi di gestione dell'alimentazione, migliorando l'efficienza complessiva e le prestazioni delle soluzioni basate su SCR.
SCRS in moderna elettronica di alimentazione
Gli SCR sono parti chiave nella creazione di sistemi di controllo di potenza efficienti e affidabili.Fanno una grande differenza in diverse aree principali, tra cui:
Sistemi di energia rinnovabile: gli SCR vengono utilizzati in inverter e controller di alimentazione per convertire e gestire l'energia da fonti rinnovabili come il solare e il vento.Gestiscono alti livelli di potenza e forniscono un controllo preciso, rendendoli perfetti per queste applicazioni.
Veicoli elettrici: nei veicoli elettrici (EV), gli SCR vengono utilizzati nei controller del motore e nei sistemi di ricarica della batteria.Gestiscono il flusso di alimentazione tra la batteria e il motore, garantendo un funzionamento efficiente e una durata della batteria più lunga.
Smart Grids: nelle applicazioni Smart Grid, gli SCR gestiscono la distribuzione dell'energia elettrica.Sono utilizzati in inverter a griglia, regolatori di tensione e controller di angolo di fase per garantire l'erogazione di energia stabile ed efficiente.
Automazione industriale: gli SCR sono utilizzati nelle unità motorie, i controlli di riscaldamento e i sistemi di controllo dei processi nell'automazione industriale.Gestiscono l'alta potenza e forniscono un controllo preciso, rendendoli componenti di base nei processi di produzione automatizzati.
Alimentatori ininterrotti (UPS): gli SCR forniscono un backup di alimentazione affidabile durante le interruzioni nei sistemi UPS.Aiutano a cambiare senza intoppi tra l'alimentazione principale e la fonte di alimentazione di backup, garantendo energia continua ai sistemi chiave.
Tendenze e innovazioni future nella tecnologia SCR
Lo sviluppo della tecnologia SCR continua a migliorare per soddisfare la necessità di un controllo di potenza migliore e più affidabile.I nuovi materiali a semiconduttore come il carburo di silicio (SIC) e il nitruro di gallio (GAN) rendono gli SCR funzionanti meglio gestendo tensioni più elevate, riducendo la resistenza e migliorando la gestione del calore.I tiristatori commutati per gate integrati (IGCT) combinano i vantaggi di GTO e IGBT, offrendo una commutazione rapida, una bassa perdita di energia e la capacità di gestire un'alta potenza per applicazioni impegnative.I metodi di controllo digitale con SCR consentono un controllo preciso e flessibile, rendendo i sistemi più efficienti e affidabili.I progressi nelle tecniche di produzione rendono gli SCR più piccoli e adatti a dispositivi portatili, il che è utile per l'elettronica di consumo.Le caratteristiche di protezione migliorate negli SCR, come i circuiti di snubber integrati e la protezione eccessiva, le rendono anche più affidabili e più facili da usare.
Conclusione
La corrente di controllo scorre alle porte attraverso il resistore R3 quando un interruttore esterno (meccanico o elettronico) collega i terminali di controllo.Questo interruttore può essere controllato da sensori come luce, calore o pressione, che attivano un amplificatore elettronico.Quando l'interruttore si chiude, gli SCR si attivano ad ogni ciclo CA, consentendo l'alimentazione al carico.Quando si apre l'interruttore, gli SCR non sparano, fermando il flusso di potenza.Questo meccanismo controlla la potenza CA al carico.
I miglioramenti nei materiali a semiconduttore come il carburo di silicio (SIC) e il nitruro di gallio (GAN) renderanno gli SCR più efficienti e durevoli.Innovazioni come i tiristori commutati integrati (IGCT) e le tecniche di controllo digitale miglioreranno le prestazioni SCR con una commutazione più rapida, minori perdite di energia e migliore affidabilità.Gli SCR continueranno a svolgere un ruolo chiave nelle nuove tecnologie, dalle reti intelligenti ai veicoli elettrici, garantendo un controllo di potenza efficiente e affidabile.
Domande frequenti [FAQ]
1. Quali sono i vantaggi del raddrizzatore controllato al silicio?
Il raddrizzatore controllato dal silicio (SCR) offre diversi vantaggi, tra cui un controllo di potenza efficiente, alta affidabilità, capacità di gestire alte tensioni e correnti e controllo preciso sul flusso di potenza.Gli SCR forniscono anche velocità di commutazione rapide e sono durevoli in ambienti difficili, rendendoli adatti a vari usi industriali.
2. Qual è lo scopo del diodo del raddrizzatore di silicio?
Un diodo raddrizzatore di silicio viene utilizzato per convertire la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC).Permette alla corrente di fluire in una sola direzione, fornendo rettifica, necessaria negli alimentatori e in altri circuiti elettronici.
3. Perché abbiamo bisogno di raddrizzatore controllato?
I raddrizzatori controllati vengono utilizzati per gestire e controllare con precisione il flusso di alimentazione nei dispositivi elettronici.Consentono di regolare la tensione e la corrente di uscita, necessarie in applicazioni come controllo della velocità del motore, alimentatori e luci di oscuramento.I raddrizzatori controllati migliorano l'efficienza e forniscono stabilità nell'erogazione di energia.
5. Qual è la conclusione di SCR?
L'SCR è un componente versatile e affidabile nell'elettronica di alimentazione.Fornisce un controllo preciso su applicazioni ad alta potenza e tensione, rendendolo prezioso in vari settori.Gli SCR continuano a migliorare con i progressi nei materiali e nella tecnologia, garantendo la loro rilevanza nelle applicazioni future.
6. Quali sono le applicazioni del diodo raddrizzatore controllato al silicio?
Le applicazioni di diodi raddrizzatori controllati in silicio comprendono il controllo della velocità del motore, il digmamento della luce, la regolazione della potenza nei sistemi di alimentazione AC e DC, protezione da sovratensione e inverter.Sono anche utilizzati nell'automazione industriale, agli alimentatori e ai sistemi di energia rinnovabile come i convertitori di energia solare e eolica.