De siliciumgestuurde gelijkrichter (SCR)

Shockley-diodes en siliciumgestuurde gelijkrichters (SCR's)

Shockley-diodes zijn merkwaardige apparaten, maar eerder beperkt in toepassing. Hun bruikbaarheid kan echter worden uitgebreid door ze uit te rusten met een ander vergrendelingsmiddel. Door dit te doen, worden elk echte versterkende apparaten (al was het maar in een aan/uit-modus), en we noemen deze siliciumgestuurde gelijkrichters of SCR's.

De progressie van Shockley-diode naar SCR wordt bereikt met één kleine toevoeging, eigenlijk niets meer dan een derde draadverbinding met de bestaande PNPN-structuur:(figuur hieronder)

De siliciumgestuurde gelijkrichter (SCR)

SCR-geleiding

Als de poort van een SCR zwevend blijft (losgekoppeld), gedraagt ​​​​deze zich precies als een Shockley-diode. Het kan worden vergrendeld door overspanning of door het overschrijden van de kritische spanningsstijging tussen anode en kathode, net als bij de Shockley-diode. Uitval wordt bereikt door de stroom te verminderen totdat een of beide interne transistoren in de afsnijmodus vallen, ook zoals de Shockley-diode. Omdat de gate-aansluiting echter rechtstreeks is verbonden met de basis van de onderste transistor, kan deze worden gebruikt als een alternatief middel om de SCR te vergrendelen. Door een kleine spanning tussen poort en kathode aan te leggen, wordt de onderste transistor gedwongen door de resulterende basisstroom, waardoor de bovenste transistor gaat geleiden, die vervolgens de basis van de onderste transistor van stroom voorziet, zodat deze niet meer hoeft te worden geactiveerd door een poortspanning. De benodigde poortstroom om vergrendeling te initiëren, zal natuurlijk veel lager zijn dan de stroom door de SCR van kathode naar anode, dus de SCR bereikt wel een mate van versterking.

Triggeren/afvuren

Deze methode om SCR-geleiding te beveiligen wordt triggeren of afvuren genoemd, en het is verreweg de meest gebruikelijke manier waarop SCR's in de praktijk worden vergrendeld. In feite worden SCR's meestal zo gekozen dat hun onderbrekingsspanning veel hoger is dan de grootste spanning die naar verwachting van de stroombron wordt verwacht, zodat deze alleen kan worden ingeschakeld door een opzettelijke spanningspuls die op de poort wordt toegepast.

Omgekeerde triggering

Er moet worden vermeld dat SCR's soms kunnen worden uitgeschakeld door hun poort- en kathode-aansluitingen direct kort te sluiten, of door de poort "omgekeerd" te triggeren met een negatieve spanning (met betrekking tot de kathode), zodat de onderste transistor in afsnijden. Ik zeg dat dit "soms" mogelijk is omdat het inhoudt dat alle collectorstroom van de bovenste transistor langs de basis van de onderste transistor wordt geleid. Deze stroom kan aanzienlijk zijn, waardoor een geactiveerde uitschakeling van een SCR op zijn best moeilijk is. Een variant van de SCR, een Gate-Turn-Off thyristor of GTO genoemd, maakt deze taak eenvoudiger. Maar zelfs met een GTO kan de poortstroom die nodig is om deze uit te schakelen wel 20% van de anodestroom (belastingsstroom) bedragen! Het schematische symbool voor een GTO wordt getoond in de volgende afbeelding:(Figuur hieronder)

De Gate Turn-Off thyristor (GTO)

SCR's versus GTO's

SCR's en GTO's delen dezelfde equivalente schema's (twee transistors die op een positieve feedback-manier zijn aangesloten), de enige verschillen zijn de constructiedetails die zijn ontworpen om de NPN-transistor een grotere β te geven dan de PNP. Hierdoor kan een kleinere poortstroom (vooruit of achteruit) een grotere mate van controle uitoefenen over de geleiding van kathode naar anode, waarbij de vergrendelde toestand van de PNP-transistor meer afhankelijk is van de NPN dan omgekeerd. De Gate-Turn-Off thyristor is ook bekend onder de naam Gate-Controlled Switch of GCS.

SCR-functionaliteit testen met een ohmmeter

Een rudimentaire test van de SCR-functie, of ten minste terminalidentificatie, kan worden uitgevoerd met een ohmmeter. Omdat de interne verbinding tussen poort en kathode een enkele PN-overgang is, moet een meter de continuïteit tussen deze klemmen aangeven met het rode meetsnoer op de poort en het zwarte meetsnoer op de kathode als volgt:(figuur hieronder)

Rudimentaire test van SCR

Alle andere continuïteitsmetingen die op een SCR worden uitgevoerd, tonen "open" ("OL" op sommige digitale multimeterdisplays). Het moet duidelijk zijn dat deze test erg grof is en geen alomvattende beoordeling van de SCR vormt. Het is mogelijk dat een SCR goede ohmmeter-indicaties geeft en toch defect is. Uiteindelijk is de enige manier om een ​​SCR te testen, deze te onderwerpen aan een belastingsstroom.

Als u een multimeter met een "diodecontrole" -functie gebruikt, kan de indicatie van de poort-naar-kathodeovergangsspanning die u krijgt al dan niet overeenkomen met wat wordt verwacht van een silicium PN-overgang (ongeveer 0,7 volt). In sommige gevallen lees je een veel lagere junctiespanning:slechts honderdsten van een volt. Dit komt door een interne weerstand die is aangesloten tussen de poort en de kathode die in sommige SCR's is ingebouwd. Deze weerstand is toegevoegd om de SCR minder vatbaar te maken voor valse triggering door valse spanningspieken, door "ruis" van het circuit of door statische elektrische ontlading. Met andere woorden, het hebben van een weerstand die is aangesloten over de poort-kathodeovergang vereist dat een sterk triggersignaal (aanzienlijke stroom) wordt aangelegd om de SCR te vergrendelen. Deze functie wordt vaak aangetroffen in grotere SCR's, niet op kleine SCR's. Houd er rekening mee dat een SCR met een interne weerstand aangesloten tussen gate en kathode continuïteit in beide richtingen tussen die twee terminals aangeeft:(figuur hieronder)

Grotere SCR's hebben een poort-naar-kathode-weerstand.

Sensitive Gate SCR's

"Normale" SCR's, zonder deze interne weerstand, worden soms gevoelige gate-SCR's genoemd vanwege hun vermogen om te worden getriggerd door het geringste positieve gate-signaal.

Het testcircuit voor een SCR is zowel praktisch als diagnostisch hulpmiddel voor het controleren van verdachte SCR's en ook een uitstekend hulpmiddel om de basiswerking van SCR te begrijpen. Een DC-spanningsbron wordt gebruikt voor het voeden van het circuit en twee drukknopschakelaars worden gebruikt om respectievelijk de SCR te vergrendelen en te ontgrendelen:(Figuur hieronder)

SCR-testcircuit

Het bedienen van de normaal open "aan" drukknopschakelaar verbindt de poort met de anode, waardoor stroom van de positieve pool van de batterij, door de belastingsweerstand, door de schakelaar, door de PN-overgang van de kathodepoort en terug naar de batterij. Deze poortstroom zou de SCR moeten dwingen om vast te klikken, zodat de stroom rechtstreeks van anode naar kathode kan gaan zonder verder door de poort te worden getriggerd. Wanneer de "aan"-drukknop wordt losgelaten, moet de belasting bekrachtigd blijven.

Door op de normaal gesloten "uit"-drukknopschakelaar te drukken, wordt het circuit verbroken, waardoor de stroom door de SCR wordt gedwongen te stoppen, waardoor deze gedwongen wordt uit te schakelen (lage stroomuitval).

Stroom houden

Als de SCR niet kan vergrendelen, ligt het probleem mogelijk bij de belasting en niet bij de SCR. Een bepaalde minimale hoeveelheid belastingsstroom is vereist om de SCR vergrendeld te houden in de "aan" -status. Dit minimale stroomniveau wordt de houdstroom genoemd. Een belasting met een te grote weerstandswaarde trekt mogelijk niet genoeg stroom om een ​​SCR vergrendeld te houden wanneer de poortstroom stopt, waardoor de verkeerde indruk wordt gewekt van een slechte (niet-vergrendelbare) SCR in het testcircuit. Houdstroomwaarden voor verschillende SCR's moeten verkrijgbaar zijn bij de fabrikanten. Typische houdstroomwaarden variëren van 1 milliampère tot 50 milliampère of meer voor grotere eenheden.

Om de test volledig te laten zijn, moet er meer worden getest dan alleen de activerende actie. De voorwaartse onderbrekingsspanningslimiet van de SCR zou kunnen worden getest door de gelijkstroomvoeding te verhogen (zonder een drukknopschakelaar te bedienen) totdat de SCR helemaal vanzelf vergrendelt. Let op:voor een doorbraaktest kan een zeer hoge spanning nodig zijn:veel vermogens-SCR's hebben een doorslagspanning van 600 volt of meer! Als er een pulsspanningsgenerator beschikbaar is, kan de kritische snelheid van de spanningsstijging voor de SCR op dezelfde manier worden getest:onderwerp het aan pulserende voedingsspanningen van verschillende V/tijd-snelheden zonder dat er drukknopschakelaars worden bediend en kijk wanneer het vergrendeld wordt.

In deze eenvoudige vorm zou het SCR-testcircuit kunnen volstaan ​​als start/stop-besturingscircuit voor een gelijkstroommotor, lamp of andere praktische belasting:(figuur hieronder)

DC motor start/stop stuurcircuit

Het “Koevoet”-circuit

Een ander praktisch gebruik van de SCR in een DC-circuit is als koevoetapparaat voor overspanningsbeveiliging. Een "koevoet"-circuit bestaat uit een SCR die parallel is geplaatst met de uitgang van een gelijkstroomvoeding, voor het plaatsen van een directe kortsluiting op de uitgang van die voeding om te voorkomen dat overmatige spanning de belasting bereikt. Schade aan de SCR en voeding wordt voorkomen door de oordeelkundige plaatsing van een zekering of aanzienlijke serieweerstand vóór de SCR om de kortsluitstroom te beperken:(Figuur hieronder)

Koevoetcircuit gebruikt in gelijkstroomvoeding

Sommige apparaten of circuits die de uitgangsspanning detecteren, worden verbonden met de poort van de SCR, zodat wanneer zich een overspanningstoestand voordoet, er spanning wordt aangelegd tussen de poort en de kathode, waardoor de SCR wordt geactiveerd en de zekering wordt doorgebrand. Het effect zal ongeveer hetzelfde zijn als het laten vallen van een massief stalen koevoet direct over de uitgangsklemmen van de voeding, vandaar de naam van het circuit.

De meeste toepassingen van de SCR zijn voor AC-stroomregeling, ondanks het feit dat SCR's inherent gelijkstroom (unidirectionele) apparaten zijn. Als bidirectionele circuitstroom vereist is, kunnen meerdere SCR's worden gebruikt, met een of meer in elke richting om de stroom door beide halve cycli van de AC-golf te verwerken. De belangrijkste reden waarom SCR's überhaupt worden gebruikt voor AC-stroomregelingstoepassingen, is de unieke reactie van een thyristor op een wisselstroom. Zoals we zagen, zullen de thyratronbuis (de elektronenbuisversie van de SCR) en de DIAC, een hysterisch apparaat dat tijdens een deel van een AC-halve cyclus wordt geactiveerd, vergrendelen en aan blijven gedurende de rest van de halve cyclus totdat de AC stroom daalt tot nul, zoals het moet om de volgende halve cyclus te beginnen. Net voor het nuldoorgangspunt van de huidige golfvorm, wordt de thyristor uitgeschakeld vanwege onvoldoende stroom (dit gedrag wordt ook wel natuurlijke commutatie genoemd) en moet tijdens de volgende cyclus opnieuw worden geactiveerd. Het resultaat is een circuitstroom die gelijk is aan een "afgehakte" sinusgolf. Ter beoordeling, hier is de grafiek van de reactie van een DIAC op een wisselspanning waarvan de piek de onderbrekingsspanning van de DIAC overschrijdt:(figuur hieronder)

DIAC bidirectionele reactie

Bij de DIAC was die grens van de doorbraakspanning een vaste waarde. Met de SCR hebben we controle over precies wanneer het apparaat wordt vergrendeld door de poort op elk moment langs de golfvorm te activeren. Door een geschikt regelcircuit aan te sluiten op de poort van een SCR, kunnen we de sinusgolf op elk punt "hakken" om tijdgeproportioneerde vermogensregeling naar een belasting mogelijk te maken.

Neem het circuit in onderstaande afbeelding als voorbeeld. Hier wordt een SCR in een circuit geplaatst om de stroom naar een belasting van een wisselstroombron te regelen.

SCR-regeling van wisselstroom

Omdat het een unidirectioneel (eenrichtings) apparaat is, kunnen we hoogstens halfgolfvermogen aan de belasting leveren, in de halve cyclus van wisselstroom waarbij de voedingsspanningspolariteit positief is aan de bovenkant en negatief aan de onderkant. Om het basisconcept van tijdproportionele besturing te demonstreren, is deze eenvoudige schakeling echter beter dan één schakeling die het volledige golfvermogen regelt (waarvoor twee SCR's nodig zijn).

Zonder triggering naar de poort en de AC-bronspanning ver onder de doorbreekspanning van de SCR, zal de SCR nooit inschakelen. Door de SCR-poort op de anode aan te sluiten via een standaard gelijkrichtdiode (om tegenstroom door de poort te voorkomen in het geval dat de SCR een ingebouwde poort-kathodeweerstand bevat), kan de SCR vrijwel onmiddellijk aan het begin van de elke positieve halve cyclus:(figuur hieronder)

Poort rechtstreeks verbonden met anode via een diode; bijna volledige halve golfstroom door belasting.

SCR-triggervertraging

We kunnen het triggeren van de SCR echter vertragen door wat weerstand in het poortcircuit in te voegen, waardoor de hoeveelheid spanningsval die nodig is voordat voldoende poortstroom de SCR activeert, toeneemt. Met andere woorden, als we het moeilijker maken om stroom door de poort te laten stromen door een weerstand toe te voegen, zal de wisselspanning een hoger punt in zijn cyclus moeten bereiken voordat er voldoende poortstroom is om de SCR in te schakelen. Het resultaat staat in onderstaande afbeelding.

Weerstand in het poortcircuit; minder dan halve golfstroom door belasting.

Met de halve sinusgolf in grotere mate gehakt door een vertraagde activering van de SCR, ontvangt de belasting minder gemiddeld vermogen (stroom wordt gedurende een cyclus minder lang geleverd). Door de seriepoortweerstand variabel te maken, kunnen we aanpassingen maken aan het tijdgeproportioneerde vermogen:(figuur hieronder)

Het verhogen van de weerstand verhoogt het drempelniveau, waardoor er minder vermogen aan de belasting wordt geleverd. Door de weerstand te verlagen, wordt het drempelniveau verlaagd, waardoor er meer vermogen aan de belasting wordt geleverd.

Helaas heeft dit controleschema een belangrijke beperking. Door de AC-brongolfvorm te gebruiken voor ons SCR-triggersignaal, beperken we de controle tot de eerste helft van de halve cyclus van de golfvorm. Met andere woorden, het is voor ons niet mogelijk om te wachten tot na de piek van de golf om de SCR te activeren. Dit betekent dat we het vermogen alleen kunnen verlagen tot het punt waarop de SCR wordt ingeschakeld op het hoogtepunt van de golf:(figuur hieronder)

Circuit op minimaal vermogen

Als de triggerdrempel nog meer wordt verhoogd, wordt de schakeling helemaal niet geactiveerd, omdat zelfs de piek van de wisselstroomspanning niet voldoende zal zijn om de SCR te activeren. Het resultaat is geen stroom naar de belasting.

Een ingenieuze oplossing voor dit besturingsdilemma wordt gevonden in de toevoeging van een faseverschuivende condensator aan het circuit:(figuur hieronder)

Toevoeging van een faseverschuivende condensator aan het circuit

De kleinere golfvorm die in de grafiek wordt weergegeven, is de spanning over de condensator. Om de faseverschuiving te illustreren, ga ik uit van een toestand van maximale besturingsweerstand waarbij de SCR helemaal niet triggert zonder belastingsstroom, behalve de weinige stroom die door de besturingsweerstand en condensator gaat. Deze condensatorspanning zal overal van 0o tot 90o in fase verschoven zijn en achterblijven bij de AC-golfvorm van de stroombron. Wanneer deze in fase verschoven spanning een voldoende hoog niveau bereikt, wordt de SCR geactiveerd.

Met voldoende spanning over de condensator om periodiek de SCR te activeren, ziet de resulterende belastingsstroomgolfvorm er ongeveer zo uit als in onderstaande afbeelding)

Fase-verschoven signaal activeert SCR in geleiding.

Omdat de condensatorgolfvorm nog steeds stijgt nadat de hoofdstroomgolfvorm zijn piek heeft bereikt, wordt het mogelijk om de SCR te triggeren op een drempelniveau voorbij die piek, waardoor de belastingsstroomgolf verder wordt afgebroken dan mogelijk was met de eenvoudigere schakeling. In werkelijkheid is de spanningsgolfvorm van de condensator iets complexer dan hier wordt getoond, de sinusvormige vorm vervormd elke keer dat de SCR wordt vergrendeld. Wat ik hier echter probeer te illustreren, is de vertraagde activeringsactie die is verkregen met het faseverschuivende RC-netwerk; dus een vereenvoudigde, onvervormde golfvorm is goed voor het doel.

SCR-triggering door complexe circuits

SCR's kunnen ook worden geactiveerd of "afgevuurd" door complexere circuits. Hoewel het eerder getoonde circuit voldoende is voor een eenvoudige toepassing zoals een lampbesturing, vertrouwen grote industriële motorbesturingen vaak op meer geavanceerde activeringsmethoden. Soms worden pulstransformatoren gebruikt om een ​​triggercircuit te koppelen aan de poort en kathode van een SCR om elektrische isolatie tussen het trigger- en voedingscircuit te bieden.

Transformatorkoppeling van triggersignaal zorgt voor isolatie.

Wanneer meerdere SCR's worden gebruikt om het vermogen te regelen, zijn hun kathoden elektrisch vaak niet gebruikelijk, waardoor het moeilijk is om een ​​enkel triggercircuit gelijkelijk op alle SCR's aan te sluiten. Een voorbeeld hiervan is de bestuurde bruggelijkrichter die wordt getoond in onderstaande afbeelding.

Gecontroleerde bruggelijkrichter

In elk bruggelijkrichtercircuit moeten de gelijkrichtdiodes (in dit voorbeeld de gelijkrichtende SCR's) in tegengestelde paren geleiden. SCR1 en SCR3 moeten gelijktijdig worden afgevuurd, en SCR2 en SCR4 moeten samen als een paar worden afgevuurd. Zoals u echter zult opmerken, delen deze paren SCR's niet dezelfde kathode-aansluitingen, wat betekent dat het niet zou werken om eenvoudigweg hun respectieve poortaansluitingen parallel te zetten en een enkele spanningsbron aan te sluiten om beide te activeren:(Figuur hieronder)

Deze strategie werkt niet voor het activeren van SCR2 en SCR4 als een paar.

Hoewel de getoonde triggerende spanningsbron SCR4 zal triggeren, zal deze SCR2 niet correct activeren omdat de twee thyristors geen gemeenschappelijke kathodeverbinding delen om naar die triggerende spanning te verwijzen. Pulstransformatoren die de twee thyristorpoorten verbinden met een gemeenschappelijke triggerende spanningsbron zullen echter werken:(figuur hieronder)

Transformatorkoppeling van de poorten maakt triggering van SCR2 en SCR4 mogelijk.

Houd er rekening mee dat deze schakeling alleen de poortaansluitingen voor twee van de vier SCR's toont. Pulstransformatoren en triggering-bronnen voor SCR1 en SCR3, evenals de details van de pulsbronnen zelf, zijn omwille van de eenvoud weggelaten.

Gecontroleerde bruggelijkrichters zijn niet beperkt tot enkelfasige ontwerpen. In de meeste industriële besturingssystemen is wisselstroom beschikbaar in een driefasige vorm voor maximale efficiëntie, en solid-state regelcircuits zijn gebouwd om daarvan te profiteren. Een driefasig gestuurd gelijkrichtercircuit gebouwd met SCR's, zonder getoonde pulstransformatoren of triggercircuits, zou eruit zien als de onderstaande afbeelding.

Driefasige brug SCR-regeling van belasting

BEOORDELING: Een Silicon-Controlled Rectifier, of SCR, is in wezen een Shockley-diode waaraan een extra terminal is toegevoegd. Deze extra aansluiting wordt de poort genoemd en wordt gebruikt om het apparaat in geleiding te brengen (vergrendelen) door het aanleggen van een kleine spanning. Om een ​​SCR te activeren of af te vuren, moet er spanning worden aangelegd tussen de poort en de kathode, positief op de poort en negatief op de kathode.

Bij het testen van een SCR is een tijdelijke verbinding tussen de poort en de anode voldoende in polariteit, intensiteit en duur om deze te activeren. SCR's kunnen worden afgevuurd door een opzettelijke activering van de poortaansluiting, een te hoge spanning (doorslag) tussen anode en kathode, of een te hoge spanningsstijging tussen de anode en kathode. SCR's kunnen worden uitgeschakeld door anodestroom die onder de houdstroomwaarde valt (lage stroomuitval) of door de poort "omgekeerd af te vuren" (een negatieve spanning aan de poort toe te passen). Reverse-firing is slechts soms effectief en gaat altijd gepaard met een hoge poortstroom.

Een variant van de SCR, een Gate-Turn-Off thyristor (GTO) genaamd, is speciaal ontworpen om te worden uitgeschakeld door middel van reverse triggering. Zelfs dan vereist reverse triggering een vrij hoge stroom:typisch 20% van de anodestroom. SCR-terminals kunnen worden geïdentificeerd door een continuïteitsmeter:de enige twee terminals die enige continuïteit tussen hen laten zien, moeten de poort en de kathode zijn. Poort- en kathode-aansluitingen worden aangesloten op een PN-overgang in de SCR, dus een continuïteitsmeter moet een diode-achtige aflezing krijgen tussen deze twee aansluitingen met de rode (+) draad op de poort en de zwarte (-) draad op de kathode. Houd er echter rekening mee dat sommige grote SCR's een interne weerstand hebben die is aangesloten tussen poort en kathode, wat van invloed is op continuïteitsmetingen van een meter.

SCR's zijn echte gelijkrichters:ze laten alleen stroom door in één richting. Dit betekent dat ze niet alleen kunnen worden gebruikt voor full-wave AC-vermogensregeling. Als de diodes in een gelijkrichtercircuit worden vervangen door SCR's, beschikt u over een gecontroleerd gelijkrichtercircuit, waarbij gelijkstroom naar een belasting in de tijd kan worden geproportioneerd door de SCR's op verschillende punten langs de wisselstroomgolfvorm te activeren.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Thyristors-werkblad