Silicon-gecontroleerde Rectifiers (SCRs): Ontwerp, Werking en Praktische Toepassingen

Shockley-diodes en Silicon Controlled Rectifiers (SCRs)

Shockley-diodes, hoewel beperkt in toepassing, kunnen worden getransformeerd in krachtige versterkende apparaten – silicon-gecontroleerde rectifiers (SCRs) – door een enkele latch-mechanisme toe te voegen. Deze derde aansluiting, de gate, stelt het apparaat in staat om met minimale gate-aansturing in geleiding te latchesen, waardoor een passieve diode effectief wordt omgezet in een actieve schakelaar.

De overgang van een Shockley-diode naar een SCR wordt bereikt door een extra draad aan de bestaande PNPN-structuur te bevestigen, wat de klassieke vier-aansluitingen thyristor creëert zoals hieronder getoond.

De Silicon-gecontroleerde Rectifier (SCR)

SCR Geleiding

Wanneer de gate onverbonden blijft, gedraagt een SCR zich identiek aan een Shockley-diode, en steunt op doorbraakspanning of een snelle spanningsstijging tussen anode en kathode om te latchen. Door echter een bescheiden spanning tussen gate en kathode aan te leggen, wordt de basis van de onderste transistor aangestuurd, waardoor de bovenste transistor gaat geleiden. De resulterende basisstroom van de bovenste transistor houdt de onderste transistor in geleiding, wat de noodzaak voor continue gate-aansturing elimineert. Omdat de gatestroom orde van grootte kleiner is dan de anode-kathodestroom, toont de SCR echte versterking.

Triggeren/Ontvlammen

In de praktijk is de meest voorkomende manier om een SCR te latchen intentioneel gate-triggeren. Fabrikanten selecteren apparaten met doorbraakspanningen ver boven de maximale voedingsspanning, zodat de SCR alleen door een bewuste gate-puls ingeleid kan worden. Dit zorgt voor betrouwbare werking in vermogenscontrole-toepassingen.

Omgekeerd Triggeren

SCRs kunnen worden uitgezet door gate en kathode te kortsluiten of door de gate omgekeerd te triggeren met een negatieve spanning. Deze methode vereist echter een aanzienlijke gatestroom omdat de volledige collectorstroom van de bovenste transistor moet worden afgeleid. Gate-Turn-Off thyristoren (GTOs) zijn ontworpen voor eenvoudiger uitschakelen, maar zelfs zij vereisen vaak gatestrømmen tot 20% van de anodestroom. Het GTO-symbool is hieronder geïllustreerd.

De Gate Turn-Off thyristor (GTO)

SCRs versus GTOs

Beide apparaten delen dezelfde twee-transistor topologie, maar GTOs hebben een NPN-transistor met een hogere β, wat een kleinere gatestroom toestaat om het apparaat te sturen. Deze verbeterde controle is de reden waarom GTOs soms Gate-Controlled Switches (GCS) genoemd worden.

SCR Functionaliteit Testen met een Ohmmeter

Een snelle manier om SCR-aansluitingen te identificeren is het gebruik van een ohmmeter. Omdat het gate-kathode pad een enkele PN-overgang bevat, moet de meter doorloop tonen wanneer de rode meetpunt op de gate en de zwarte op de kathode staat, zoals afgebeeld:

Elementaire test van SCR

Alle andere aansluitingsparen zullen open meten. Let op dat dit slechts een ruwe controle is; een defecte SCR kan nog steeds juiste doorloop tonen. Uitgebreide testen vereisen het belasten van het apparaat en het meten van de stroom-spanningskenmerken.

Op multimeters met een diode-testfunctie kan de gate-kathodespanning lager zijn dan de typische 0,7 V voor een siliciumovergang als een interne gate-kathode weerstand aanwezig is. Deze weerstand, gebruikelijk in grotere SCRs, beschermt tegen onbedoeld triggeren door ruis of statische ontlading. Het zorgt er ook voor dat de meter doorloop toont in beide richtingen tussen gate en kathode.

Grotere SCRs hebben gate-naar-kathode weerstand.

Gevoelige Gate SCRs

SCRs zonder de interne weerstand heten gevoelige-gate apparaten omdat een kleine positieve gate-puls ze kan latchen. Een praktische diagnostische schakeling voor dergelijke SCRs is hieronder getoond, met een DC-voeding en twee drukknoppen: één om te vuren en één om de gate vrij te geven.

SCR testschakeling

Indrukken van de "aan"-knop verbindt de gate met de anode, waardoor een korte gatestroom de SCR triggert. Eenmaal gelatcht, blijft de belasting gevoed zelfs na loslaten van de knop. De "uit"-knop verbreekt de gate-verbinding, wat de SCR in dropout dwingt en de belasting uitschakelt.

Houdstroom

Als de SCR niet latches, kan het probleem bij de belasting liggen. Elke SCR heeft een minimale houdstroom – typisch tussen 1 mA en 50 mA voor grotere eenheden – nodig om geleiding te handhaven na het stoppen van de gate-aansturing. Datasheets van fabrikanten zoals ABB, Siemens of ON-Semiconductor leveren exacte houdstroomwaarden voor specifieke typenummers.

Een uitgebreidere test omvat het meten van de voorwaartse doorbraakspanning door de DC-voeding te verhogen tot de SCR van zichzelf latches, of het gebruik van een pulsgenerator om de kritieke spanningsstijgsnelheid te beoordelen. Merk op dat veel vermogens-SCRs doorbraakwaarden van 600 V of meer hebben.

Naast diagnostiek kan deze eenvoudige testschakeling dienen als start/stop-controle voor DC-belastingen zoals motoren of lampen, zoals geïllustreerd:

DC-motor start/stop regelschakeling

De "Crowbar" Schakeling

Een crowbar-schakeling gebruikt een SCR parallel aan een DC-voeding om een gecontroleerde kortsluiting te creëren bij overspanning. Een zekering of serieweerstand beperkt de foutstroom, ter bescherming van de voeding en de SCR. De gate wordt aangestuurd door een spanningsmeetcircuit dat de SCR triggert wanneer de uitgangsspanning een vooraf ingestelde drempel overschrijdt.

Crowbar-schakeling gebruikt in DC-voeding

SCRs in AC-vermogenscontrole

Hoewel SCRs inherent DC-apparaten zijn, worden ze breed gebruikt voor AC-vermogenscontrole. In een AC-schakeling geleidt het apparaat alleen tijdens de positieve half-cyclus wanneer de anode positiever is dan de kathode. Bij de nuldoorgang vindt natuurlijke commutatie plaats, wat de SCR uitschakelt en het mogelijk maakt om hem weer te triggeren op de volgende half-cyclus. Dit resulteert in een afgehakte sinusgolf wiens cyclische verhouding aangepast kan worden door de gate-triggerhoek te controleren.

De DIAC, een bidirectioneel hysteresis-apparaat, demonstreert dit principe: zodra de doorbraakspanning overschreden is, geleidt het tot de stroom nul wordt. In tegenstelling tot een SCR kan de triggerhoek precies worden ingesteld door de gate-aansturing.

DIAC bidirectionele respons

Voor vollgolfcontrole worden meestal twee SCRs in anti-parallel of in een brugconfiguratie geschakeld. Pulstransformatoren of geïsoleerde gate-drivers worden gebruikt om de gate-pulsen te leveren wanneer de SCR-kathodes niet gemeenschappelijk zijn.

Transformator-koppeling van triggersignaal biedt isolatie.

Gecontroleerde brugrectificateurs kunnen enkel- of driefasig zijn. In een driefasig ontwerp gebruikt elke fase twee SCRs in een brug, wat nauwkeurige vermogenscontrole over alle fasen mogelijk maakt.

Driefasige brug SCR controle van belasting

Belangrijkste Punten

• Het toevoegen van een gate-aansluiting verandert een Shockley-diode in een SCR, wat latch-gebaseerd schakelen biedt.
• Gate-triggeren gebruikt een minute stroom om het apparaat te latchen; doorbraak en spanningsstijg-triggeren zijn alternatieven maar minder betrouwbaar.
• Omgekeerd triggeren kan een SCR uitschakelen, maar vereist grote gatestrømmen; GTOs vereenvoudigen dit proces.
• Ohmmeter-tests identificeren gate-kathode doorloop, maar moeten gevolgd worden door belastingstests.
• Houdstroom is cruciaal; raadpleeg datasheets voor specifieke waarden.
• SCRs zijn de kern van AC-vermogenscontrole en crowbar-beschermingsschakelingen.
• Juiste gate-drivers en isolatietransformatoren zijn essentieel voor multi-SCR systemen.

Gerelateerde Bronnen

• Thyristoren Werkblad