Cách hoạt động của Thyristor (SCR) - Hướng dẫn

Về cơ bản SCR (Silicon điều khiển chỉnh lưu) hay còn được gọi với cái tên Thyristor hoạt động khá giống một bóng bán dẫn.

SCR là viết tắt của gì

Thiết bị có tên (SCR) do cấu trúc bên trong bán dẫn nhiều lớp, đề cập đến từ 'silicon' ở đầu tên của nó.

Phần thứ hai của tên 'Kiểm soát' đề cập đến cổng kết nối của thiết bị, được chuyển đổi với tín hiệu bên ngoài để kiểm soát kích hoạt của thiết bị và do đó có từ 'Điều khiển'.

Và thuật ngữ 'Bộ chỉnh lưu' biểu thị thuộc tính chỉnh lưu của SCR khi cổng của nó được kích hoạt và nguồn điện được phép chạy qua cực dương của nó đến các đầu cực âm cực, điều này có thể tương tự như việc chỉnh lưu bằng điốt chỉnh lưu.

Giải thích ở trên làm rõ cách thiết bị hoạt động giống như một 'Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng Silicon'.

Mặc dù SCR chỉnh lưu giống như một diode và bắt chước một bóng bán dẫn do tính năng kích hoạt của nó với tín hiệu bên ngoài, cấu hình bên trong SCR bao gồm một sự sắp xếp bán dẫn bốn lớp (PNPN) được tạo thành từ 3 điểm nối PN nối tiếp, không giống như một diode có cấu hình bán dẫn 2 lớp (PN) hoặc bóng bán dẫn bao gồm cấu hình bán dẫn ba lớp (PNP / NPN).

Bạn có thể tham khảo hình ảnh sau để hiểu cách bố trí bên trong của các mối nối bán dẫn được giải thích và cách Thyristor (SCR) hoạt động.

Một đặc tính khác của SCR phù hợp rõ ràng với một diode là đặc tính đơn hướng cho phép dòng điện chỉ chạy theo một hướng qua nó và chặn từ phía bên kia khi nó được BẬT, đã nói rằng SCR có bản chất chuyên biệt khác cho phép chúng hoạt động như một công tắc mở khi ở chế độ TẮT đã chuyển.

Hai chế độ chuyển mạch cực đoan này trong SCR hạn chế các thiết bị này khuếch đại tín hiệu và chúng không thể được sử dụng như các bóng bán dẫn để khuếch đại tín hiệu xung.

Các bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon hoặc các SCR giống như Triac, Diac, hoặcUJT đều có đặc tính hoạt động giống như các công tắc AC trạng thái rắn chuyển đổi nhanh chóng trong khi điều chỉnh điện thế hoặc dòng điện AC nhất định.

Vì vậy, đối với các kỹ sư và những người yêu thích, các thiết bị này trở thành một lựa chọn công tắc trạng thái rắn tuyệt vời khi nói đến điều chỉnh các thiết bị chuyển mạch AC như đèn, động cơ, công tắc điều chỉnh độ sáng với hiệu suất tối đa.

SCR là một linh kiện bán dẫn 3 đầu cuối được gán là Cực dương, Cathode và Cổng, lần lượt được chế tạo bên trong với 3 điểm nối P-N, có đặc tính chuyển đổi ở tốc độ rất cao.

Do đó, thiết bị có thể được chuyển đổi ở bất kỳ tốc độ mong muốn nào và đặt các khoảng thời gian BẬT / TẮT riêng biệt, để thực hiện một công tắc trung bình cụ thể BẬT hoặc chuyển thời gian TẮT cho tải.

Về mặt kỹ thuật, bố trí của SCR hoặc thyristor có thể được hiểu bằng cách so sánh nó với một vài bóng bán dẫn (BJT) được kết nối theo thứ tự ngược lại, để tạo thành một cặp công tắc tái tạo bổ sung, như thể hiện trong hình ảnh sau :

Thyristors Hai Transistor Tương tự

Mạch tương đương hai bóng bán dẫn cho thấy dòng điện góp của bóng bán dẫn NPN TR2 cấp trực tiếp vào chân đế của bóng bán dẫn PNP TR1, trong khi dòng điện thu của TR1 cấp vào chân đế của TR2.

Hai bóng bán dẫn được kết nối với nhau này dựa vào nhau để dẫn điện vì mỗi bóng bán dẫn nhận được dòng điện cực phát của nó từ dòng điện cực phát của bên kia. Vì vậy, cho đến khi một trong các bóng bán dẫn được cấp một số dòng điện cơ bản, không có gì có thể xảy ra ngay cả khi có điện áp Anode-Cathode.

Mô phỏng cấu trúc liên kết SCR với tích hợp hai bóng bán dẫn cho thấy sự hình thành theo cách sao cho dòng điện cực góp của bóng bán dẫn NPN cung cấp thẳng đến chân đế của bóng bán dẫn PNP TR1, trong khi dòng điện cực góp của TR1 đang kết nối nguồn với cơ sở của TR2.

Cấu hình hai bóng bán dẫn được mô phỏng dường như liên kết với nhau và bổ sung dẫn điện cho nhau bằng cách nhận ổ cơ sở từ dòng phát cực thu của cái kia, điều này làm cho điện áp cổng rất quan trọng và đảm bảo rằng cấu hình được hiển thị không bao giờ có thể dẫn điện cho đến khi điện thế cổng được áp dụng, ngay cả trong sự hiện diện của điện thế từ cực dương đến cực âm có thể vẫn tồn tại.

Trong tình huống khi dây dẫn cực dương của thiết bị âm hơn cực âm của nó, cho phép tiếp giáp N-P vẫn được phân cực thuận, nhưng đảm bảo các tiếp giáp P-N bên ngoài được phân cực ngược để nó hoạt động giống như một điốt chỉnh lưu tiêu chuẩn.

Đặc tính này của SCR cho phép nó chặn dòng điện ngược, cho đến khi cường độ điện áp cao đáng kể có thể vượt quá thông số kỹ thuật mỏ của nó được gây ra trên các dây dẫn đã đề cập, điều này buộc SCR phải dẫn điện ngay cả khi không có ổ cổng .

Phần trên đề cập đến các đặc tính quan trọng của thyristor có thể khiến thiết bị được kích hoạt không mong muốn thông qua tăng đột biến điện áp cao ngược và / hoặc nhiệt độ cao hoặc quá độ điện áp dv / dt ngày càng nhanh.

Bây giờ, giả sử trong một tình huống mà đầu cuối Anode trải nghiệm tích cực hơn liên quan đến đạo trình catốt của nó, điều này giúp tiếp giáp P-N bên ngoài trở thành phân cực thuận, mặc dù tiếp giáp N-P trung tâm tiếp tục được phân cực ngược. Do đó, điều này đảm bảo rằng dòng chuyển tiếp cũng bị chặn.

Do đó, trong trường hợp một tín hiệu tích cực được tạo ra qua đế của bóng bán dẫn NPN TR2 dẫn đến dòng điện thu về phía cơ sở f TR1, điều này buộc dòng điện thu truyền về phía bóng bán dẫn PNP TR1 thúc đẩy ổ đĩa cơ sở của TR2 và quá trình được củng cố.

Điều kiện trên cho phép hai bóng bán dẫn tăng cường độ dẫn điện của chúng cho đến điểm bão hòa do vòng phản hồi cấu hình tái tạo được hiển thị của chúng giúp giữ cho tình huống được đan xen và chốt lại.

Do đó, ngay sau khi SCR được kích hoạt, nó cho phép dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm của nó chỉ với điện trở thuận tối thiểu xung quanh đường dẫn, đảm bảo thiết bị dẫn điện và hoạt động hiệu quả ..

Khi chịu dòng điện xoay chiều, SCR có thể chặn cả hai cực của dòng điện xoay chiều cho đến khi SCR được cung cấp điện áp kích hoạt qua cổng và cực âm của nó, tức thì cho phép nửa chu kỳ dương của dòng điện xoay chiều đi qua các dây dẫn cực âm cực dương, và thiết bị bắt đầu bắt chước một diode chỉnh lưu tiêu chuẩn, nhưng chỉ khi nào bộ kích hoạt cổng vẫn được BẬT, dẫn truyền ngắt thì bộ kích hoạt cổng thời điểm được loại bỏ.

Các đường cong đặc tính điện áp-dòng điện hoặc I-V thực thi để kích hoạt bộ chỉnh lưu điều khiển silicon có thể được chứng kiến ​​trong hình ảnh sau:

Đường cong đặc tính I-V của Thyristor

Tuy nhiên Đối với đầu vào DC, ngay khi kích hoạt thyristor BẬT, do dẫn truyền phục hồi được giải thích, nó sẽ trải qua một hành động chốt sao cho dẫn truyền từ cực dương sang cực âm được giữ và tiếp tục dẫn điện ngay cả khi bộ kích hoạt cổng được loại bỏ.

Do đó, đối với nguồn điện một chiều, cổng hoàn toàn mất ảnh hưởng khi xung kích hoạt đầu tiên được áp dụng qua cổng của thiết bị đảm bảo dòng điện được chốt từ cực dương sang cực âm của nó. Nó có thể bị hỏng do đứt nguồn dòng điện cực dương / cực âm trong lúc cổng hoàn toàn không hoạt động.

SCR không thể hoạt động như BJT

SCR không được thiết kế để hoàn toàn tương tự như các đối tác của bóng bán dẫn, và do đó không thể được thực hiện để dẫn tại một số vùng tích cực trung gian cho tải có thể nằm ở đâu đó giữa dẫn hoàn toàn và công tắc cạnh tranh TẮT.

Điều này cũng đúng bởi vì bộ kích hoạt cổng không ảnh hưởng đến mức độ dẫn điện hoặc bão hòa từ cực dương đến cực âm, do đó, ngay cả một xung cổng tạm thời nhỏ cũng đủ để chuyển từ cực dương sang cực âm dẫn đến công tắc BẬT hoàn toàn.

Tính năng trên cho phép một SCR được so sánh và được coi như một Bistable Latch sở hữu hai trạng thái ổn định, hoặc BẬT hoàn toàn hoặc TẮT hoàn toàn. Điều này được gây ra do hai đặc tính đặc biệt của SCR phản ứng với đầu vào AC hoặc DC như được giải thích trong các phần trên.

Cách sử dụng cổng của SCR để điều khiển chuyển mạch của nó

Như đã thảo luận trước đây, một khi SCR được kích hoạt với đầu vào DC và cực âm cực dương của nó tự chốt, điều này có thể được mở khóa hoặc TẮT bằng cách ngay lập tức loại bỏ nguồn cung cấp cực dương (dòng điện cực dương Ia) hoàn toàn hoặc bằng cách giảm tương tự xuống một số mức thấp đáng kể dưới dòng điện giữ được chỉ định của thiết bị hoặc Ih 'dòng điện giữ tối thiểu'.

Điều này ngụ ý rằng dòng điện giữ tối thiểu từ Anode đến Cathode phải giảm cho đến khi liên kết chốt P-N bên trong của thyristor có thể khôi phục tính năng chặn tự nhiên của nó hoạt động.

Do đó, điều này cũng có nghĩa là để làm cho SCR hoạt động hoặc dẫn với bộ kích hoạt cổng, bắt buộc dòng tải từ cực dương đến cực âm phải vượt quá 'dòng điện giữ tối thiểu' được chỉ định, nếu không SCR có thể không thực hiện dẫn tải, do đó nếu IL là dòng tải, điều này phải là IL> IH.

Tuy nhiên, như đã thảo luận trong các phần trước, khi một AC được sử dụng trên các chân Anode.Cathode của SCR, đảm bảo rằng SCR không được phép thực hiện hiệu ứng chốt khi ổ cổng được tháo ra.

Điều này là do tín hiệu AC chuyển BẬT và TẮT trong đường giao nhau bằng không của nó, giữ cho dòng điện cực dương SCR thành cực âm tắt ở mỗi lần dịch chuyển 180 độ của nửa chu kỳ dương của dạng sóng AC.

Hiện tượng này được gọi là 'giao hoán tự nhiên' và áp đặt một tính năng quan trọng đối với sự dẫn SCR. Trái ngược với điều này với nguồn cung cấp DC, tính năng này trở nên không quan trọng với SCR.

Nhưng vì SCR được thiết kế để hoạt động giống như một diode chỉnh lưu nên nó chỉ đáp ứng hiệu quả với nửa chu kỳ dương của AC và vẫn được phân cực ngược và hoàn toàn không phản ứng với nửa chu kỳ còn lại của AC ngay cả khi có tín hiệu cổng.

Điều này ngụ ý rằng khi có bộ kích hoạt cổng, SCR chỉ dẫn qua cực dương của nó đến cực âm trong các nửa chu kỳ AC dương tương ứng và được tắt tiếng trong các nửa chu kỳ còn lại.

Do tính năng chốt được giải thích ở trên và cũng là phần cắt trong nửa chu kỳ còn lại của dạng sóng AC, SCR có thể được sử dụng hiệu quả để cắt các chu kỳ AC pha sao cho tải có thể được chuyển đổi ở bất kỳ mức công suất thấp hơn mong muốn (có thể điều chỉnh) .

Còn được gọi là điều khiển pha, tính năng này có thể được thực hiện thông qua một tín hiệu định thời bên ngoài được áp dụng qua cổng SCR. Tín hiệu này quyết định sau bao nhiêu độ trễ SCR có thể được kích hoạt khi pha AC bắt đầu nửa chu kỳ dương của nó.

Vì vậy, điều này chỉ cho phép chuyển phần đó của sóng AC đang được chuyển qua sau bộ kích hoạt cổng.. điều khiển pha này là một trong những tính năng chính của thyristor điều khiển silicon.

Các thyristor (SCR) hoạt động như thế nào trong điều khiển pha có thể hiểu bằng cách xem các hình ảnh bên dưới.

Sơ đồ đầu tiên cho thấy một SCR có cổng được kích hoạt vĩnh viễn, như có thể thấy trong sơ đồ đầu tiên, điều này cho phép dạng sóng tích cực hoàn chỉnh được bắt đầu từ đầu đến cuối, từ trên đường giao nhau số không trung tâm.

Điều khiển pha Thyristor

Khi bắt đầu mỗi nửa chu kỳ tích cực, SCR là “TẮT”. Khi cảm ứng của điện áp cổng kích hoạt SCR thành dẫn và cho phép nó được chốt hoàn toàn 'ON' trong suốt nửa chu kỳ dương. Khi bật thyristor khi bắt đầu nửa chu kỳ (θ = 0o), tải được kết nối (đèn hoặc bất kỳ tương tự nào) sẽ “BẬT” trong toàn bộ chu kỳ dương của dạng sóng AC (AC chỉnh lưu nửa sóng ) ở điện áp trung bình nâng cao là 0,318 x Vp.

Khi thời gian khởi tạo của công tắc cổng BẬT được nâng lên dọc theo nửa chu kỳ (θ = 0o đến 90o), bóng đèn được kết nối sẽ sáng trong một khoảng thời gian nhỏ hơn và điện áp thuần mang đến đèn tương tự như vậy sẽ ít giảm cường độ của nó hơn.

Sau đó, có thể dễ dàng khai thác bộ chỉnh lưu điều khiển silicon như một bộ điều chỉnh độ sáng AC và trong nhiều ứng dụng nguồn AC bổ sung khác nhau, ví dụ: điều khiển tốc độ động cơ AC, thiết bị điều khiển nhiệt và mạch điều chỉnh công suất, v.v.

Cho đến bây giờ chúng ta đã chứng kiến ​​rằng một thyristor về cơ bản là một thiết bị nửa sóng có thể cho dòng điện chỉ trong nửa chu kỳ dương bất cứ khi nào Cực dương là dương và ngăn dòng điện giống như một điốt trong trường hợp Cực dương là âm. , ngay cả khi cổng hiện tại vẫn hoạt động.

Tuy nhiên, bạn có thể tìm thấy nhiều biến thể khác của các sản phẩm bán dẫn tương tự để lựa chọn có nguồn gốc dưới tiêu đề “Thyristor” được thiết kế để hoạt động theo cả hai hướng của nửa chu kỳ, đơn vị toàn sóng hoặc có thể được chuyển sang “TẮT” bởi tín hiệu Cổng .

Loại sản phẩm này bao gồm “Gate Turn-OFF Thyristor” (GTO), “Static Induction Thyristor” (SITH), “MOS Control Thyristor” (MCT), “Silicon Control Switch” (SCS), “Triode Thyristor” (TRIAC) và “Các Thyristor được kích hoạt bằng ánh sáng” (LASCR) để xác định một số ít, với rất nhiều thiết bị này có thể truy cập ở nhiều mức điện áp và dòng điện khác nhau, điều này khiến chúng thú vị khi được sử dụng cho các mục đích ở mức công suất rất cao.

Tổng quan về hoạt động của Thyristor

Bộ chỉnh lưu điều khiển Silicon thường được gọi là Thyristor là thiết bị bán dẫn PNPN ba điểm nối có thể được coi là hai bóng bán dẫn được kết nối với nhau mà bạn có thể sử dụng trong việc chuyển đổi các tải điện nặng hoạt động chính.

Chúng được đặc trưng để được chốt - “BẬT” bằng một xung dòng điện dương duy nhất được áp dụng cho dây dẫn Cổng của chúng và có thể tiếp tục “BẬT” liên tục cho đến khi dòng điện Anốt đến Cathode giảm xuống dưới số đo chốt tối thiểu được chỉ định hoặc đảo ngược.

Các thuộc tính tĩnh của Thyristor

Thyristor là thiết bị bán dẫn được cấu hình để chỉ hoạt động ở chức năng chuyển mạch. Thyristor là các sản phẩm được kiểm soát hiện tại, một dòng Cổng nhỏ có thể kiểm soát một dòng Anode đáng kể hơn. Chỉ cho phép dòng điện một lần được phân cực thuận và dòng điện kích hoạt được áp dụng cho Cổng.

Thyristor hoạt động tương tự như một diode chỉnh lưu bất cứ khi nào nó được kích hoạt “BẬT”. Dòng điện cực dương phải lớn hơn giá trị dòng điện duy trì để duy trì sự dẫn điện. Ức chế dòng điện đi qua trong trường hợp phân cực ngược, bất kể có đặt dòng điện Cổng hay không.

Ngay khi được bật “ON”, được chốt “ON” hoạt động bất kể có dòng điện cổng đang được áp dụng hay không nhưng chỉ trong trường hợp dòng điện cực dương ở trên dòng chốt.

Thyristor là công tắc nhanh mà bạn có thể sử dụng để thay thế rơ le điện cơ trong một số mạch vì chúng đơn giản là không có bất kỳ bộ phận rung nào, không có hồ quang tiếp xúc hoặc có vấn đề về hư hỏng hoặc cáu bẩn.

Nhưng ngoài ra, chỉ cần chuyển đổi các dòng điện đáng kể “BẬT” và “TẮT”, các thyristor có thể được thực hiện để quản lý giá trị RMS của dòng tải AC mà không làm tiêu hao một lượng điện đáng kể. Một ví dụ tuyệt vời của điều khiển công suất thyristor là điều khiển ánh sáng điện, lò sưởi và tốc độ động cơ.

Trong hướng dẫn tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét một số Mạch Thyristor và ứng dụng sử dụng cả nguồn AC và DC.