Silicon Controlled Rectifier (SCR) - Pagtatrabaho, Konstruksiyon, Mga Pamamaraan ng Pag-trigger, Mga Uri at Aplikasyon

Ang isang Silicon Controlled Rectifier (SCR) ay isang pangunahing aparato ng semiconductor ng kapangyarihan na malawakang ginagamit para sa pagkontrol ng mataas na boltahe at kasalukuyang sa mga de-koryenteng at pang-industriya na sistema. Ang kakayahang lumipat at ayusin ang kapangyarihan nang mahusay ay ginagawang kapaki-pakinabang sa mga converter, motor drive, at automation circuit. Ipinaliliwanag ng artikulong ito ang konstruksiyon ng SCR, prinsipyo ng pagtatrabaho, mga katangian, uri, at praktikal na aplikasyon sa isang malinaw at nakabalangkas na paraan.

Ano ang isang Silicon Controlled Rectifier (SCR)?

Ang isang Silicon Controlled Rectifier (SCR) ay isang tatlong-terminal na aparato ng semiconductor ng kuryente na ginagamit upang kontrolin at lumipat ng mataas na boltahe at kasalukuyang sa mga de-koryenteng circuit. Ito ay isang miyembro ng pamilya thyristor at may apat na layer na istraktura ng PNPN. Hindi tulad ng isang simpleng diode, ang isang SCR ay nagbibigay-daan sa kinokontrol na paglipat dahil ito ay lumiliko ON lamang kapag ang isang gate trigger signal ay inilalapat. Malawakang ginagamit ito sa mga converter ng AC / DC, motor drive, charger ng baterya, at pang-industriya na automation dahil sa mataas na kakayahan at kahusayan sa paghawak ng kuryente.

Konstruksiyon at Simbolo ng SCR

Ang isang Silicon Controlled Rectifier (SCR) ay binuo gamit ang apat na kahaliling layer ng P-type at N-type semiconductor na materyales, na bumubuo ng isang istraktura ng PNPN na may tatlong junctions: J1, J2, at J3. Mayroon itong tatlong terminal:

● Anode (A): Konektado sa panlabas na P-layer

● Mga kagamitan sa pag-aayos (K): Konektado sa panlabas na layer ng N-layer

● Gate (G): Konektado sa panloob na P-layer at ginagamit para sa pag-trigger

Interally, ang isang SCR ay maaaring i-modelo bilang dalawang magkakaugnay na transistors-isang PNP at isang NPN-na bumubuo ng isang regenerative feedback loop. Ang panloob na istraktura na ito ay nagpapaliwanag ng pag-uugali ng latching ng SCR, kung saan patuloy itong nagsasagawa kahit na tinanggal ang signal ng gate.

Ang simbolo ng SCR ay kahawig ng isang diode ngunit may kasamang isang gate terminal para sa kontrol. Ang kasalukuyang dumadaloy mula sa anode patungo sa cathode kapag ang aparato ay na-trigger sa pamamagitan ng gate.

Pagpapatakbo ng SCR

Ang SCR ay nagpapatakbo sa tatlong mga de-koryenteng estado batay sa boltahe ng anode-cathode at signal ng gate:

Reverse Blocking Mode

Kapag ang anode ay ginawang negatibo na may kaugnayan sa cathode, ang mga junction J1 at J3 ay reverse biased. Isang maliit na leakage current lamang ang dumadaloy. Ang paglampas sa reverse boltahe limit ay maaaring makapinsala sa aparato.

Pasulong na Mode ng Pag-block (OFF State)

Sa anode positibo at cathode negatibo, ang mga junction J1 at J3 ay pasulong na bias habang ang J2 ay reverse biased. Ang SCR ay nananatiling OFF sa estadong ito kahit na ang pasulong na boltahe ay inilalapat, na pumipigil sa kasalukuyang daloy hanggang sa isang trigger ay ibinigay.

Pasulong na Mode ng Pagpapadaloy (ON State)

Ang paglalapat ng isang gate pulse sa pasulong na bias ay nag-iiniksyon ng mga carrier na pasulong-bias junction J2, na nagpapahintulot sa pagpapadaloy ng kondalo. Sa sandaling ON, ang SCR latches at patuloy na magsagawa kahit na matapos ang gate signal ay tinanggal, hangga't ang kasalukuyang ay nananatiling sa itaas ng hawak na kasalukuyang.

Mga Katangian ng V-I ng SCR

Ang katangian ng V-I ay tumutukoy kung paano tumutugon ang kasalukuyang aparato sa inilapat na boltahe sa iba't ibang mga rehiyon ng pagpapatakbo:

• Reverse Blocking Region: Minimal na kasalukuyang dumadaloy sa ilalim ng reverse bias hanggang sa mangyari ang breakdown.

• Forward Blocking Region: Ang pasulong na boltahe ay nagdaragdag ngunit ang kasalukuyang ay nananatiling mababa hanggang sa maabot ang pasulong na boltahe ng breakover (VBO).

• Forward Conduction Region: Pagkatapos ng pag-trigger ng isang gate pulse, ang SCR ay mabilis na lumipat sa isang mababang-paglaban na estado ng ON na may isang maliit na pasulong na boltahe drop (1-2V).

Ang pagtaas ng gate current ay nagpapababa ng forward breakover voltage, na nagpapahintulot sa mas maaga na turn-ON. Ito ay kapaki-pakinabang sa phase-controlled AC circuits.

Paglipat ng Mga Katangian ng SCR

Ang mga katangian ng paglipat ay naglalarawan ng pag-uugali ng SCR sa panahon ng mga transisyon sa pagitan ng mga estado ng OFF at ON:

• Turn-ON Time (tonelada): Oras na kinakailangan para sa SCR upang ganap na lumipat mula sa OFF hanggang ON pagkatapos ng isang gate pulse. Binubuo ito ng oras ng pagkaantala, oras ng pagtaas, at oras ng pagkalat. Ang mas mabilis na pag-ikot ay nagsisiguro ng mahusay na paglipat sa mga converter at inverter.

• Turn-OFF Time (tq): Pagkatapos tumigil ang pagpapadaloy ng kondalo, kailangan ng SCR ng oras upang mabawi ang kakayahan nito sa pag-block ng pasulong dahil sa mga naka-imbak na carrier ng singil. Ang pagkaantala na ito ay hinihingi sa mga application na may mataas na dalas, at ang mga panlabas na circuit ng commutation ay kinakailangan sa mga sistema ng DC.

Mga Uri ng SCR

Ang mga SCR ay magagamit sa iba't ibang mga estilo ng konstruksiyon at mga klase ng pagganap upang matugunan ang mga kinakailangan ng iba't ibang boltahe, kasalukuyang, at mga aplikasyon ng paglipat. Nasa ibaba ang mga pangunahing uri ng SCR na ipinaliwanag nang hindi gumagamit ng isang format ng talahanayan, tulad ng hiniling.

Discrete Plastic SCR

Ito ay isang maliit, mababang-kapangyarihan SCR karaniwang nakabalot sa TO-92, TO-126, o TO-220 casings. Ito ay matipid at karaniwang ginagamit sa mababang-kasalukuyang electronic circuits. Ang mga SCR na ito ay mainam para sa simpleng paglipat ng AC, mga sistema ng kontrol na mababa ang kapangyarihan, light dimmers, at mga circuit ng charger ng baterya.

Plastic Module SCR

Ang uri na ito ay dinisenyo para sa katamtaman hanggang mataas na kasalukuyang paghawak. Ito ay nakapaloob sa isang compact plastic module na nagbibigay ng electrical pagkakabukod at madaling pag-mount. Ang mga SCR na ito ay malawakang ginagamit sa mga sistema ng UPS, pang-industriya na mga yunit ng kontrol ng kuryente, mga welding machine, at mga controller ng bilis ng motor.

Pindutin ang Pack SCR

Ang mga press pack SCR ay mga mabibigat na tungkulin na aparato na binuo sa isang matatag na metal na tulad ng disc na pakete. Nag-aalok sila ng mahusay na thermal performance at mataas na kasalukuyang kakayahan at hindi nangangailangan ng paghihinang. Sa halip, ang mga ito ay naka-clamp sa pagitan ng mga heat sink sa ilalim ng presyon, na ginagawang angkop ang mga ito para sa mga application na may mataas na pagiging maaasahan tulad ng mga pang-industriya na drive, mga sistema ng traksyon, paghahatid ng kuryente ng HVDC, at mga grid ng kuryente.

Mabilis na Paglipat SCR

Ang mabilis na paglipat ng SCR, na tinatawag ding inverter-grade SCRs, ay idinisenyo para sa mga circuit na gumagana sa mas mataas na frequency. Mayroon silang isang maikling oras ng pag-turn off at nabawasan ang mga pagkalugi sa paglipat kumpara sa mga karaniwang SCR. Ang mga aparatong ito ay karaniwang ginagamit sa mga chopper, DC-DC converter, high-frequency inverter, at pulse power supply.

Mga Pamamaraan ng Turn-ON ng SCR

Ang iba't ibang mga paraan upang ma-trigger ang isang SCR sa pagpapadaloy ay kinabibilangan ng:

Gate Triggering (Pinaka-Karaniwan): Ang isang low-power gate pulse ay lumiliko ON ang SCR sa isang kinokontrol na paraan. Ginagamit sa karamihan ng mga pang-industriya na aplikasyon.

Forward Voltage Triggering: Kung ang pasulong na boltahe ay lumampas sa boltahe ng breakover, ang SCR ay lumiliko nang walang gate pulse, sa pangkalahatan ay iniiwasan dahil sa stress sa aparato.

Thermal Triggering (Hindi Kanais-nais): Ang labis na temperatura ay maaaring hindi sinasadyang magsimula ng pagpapadaloy ng kondalo; Dapat iwasan ang hindi wastong paglamig.

Light Triggering (LASCR): Ang mga light-sensitive SCR ay gumagamit ng mga photon upang mag-trigger ng pagpapadaloy sa mga application ng paghihiwalay ng mataas na boltahe.

dv / dt Triggering (Hindi nais): Ang isang mabilis na pagtaas sa pasulong na boltahe ay maaaring maging sanhi ng aksidenteng pag-ON dahil sa kapasidad ng junction. Pinipigilan ito ng mga snubber circuit.

Mga Pakinabang at Limitasyon ng SCR

Mga pakinabang ng SCR

• Mataas na kapangyarihan at boltahe na pagmahawak: Ang mga SCR ay may kakayahang kontrolin ang malaking halaga ng kapangyarihan, madalas sa saklaw ng daan-daang hanggang libu-libong mga volts at amperes, na ginagawang angkop ang mga ito para sa mabibigat na pang-industriya na aplikasyon tulad ng mga motor drive, paghahatid ng HVDC, at mga converter ng kuryente.

• Mataas na kahusayan at mababang pagkalugi ng pagpapadalo: Sa sandaling naka-ON, ang SCR ay nagsasagawa ng isang napakaliit na pagbagsak ng boltahe (karaniwang 1-2 volts), na nagreresulta sa mababang pagwawaldas ng kapangyarihan at mataas na kahusayan sa pagpapatakbo.

• Maliit na kinakailangan sa kasalukuyang gate: Ang aparato ay nangangailangan lamang ng isang maliit na pag-trigger ng kasalukuyang sa terminal ng gate upang i-ON, na nagpapahintulot sa simpleng low-power control circuitry na lumipat ng mga high-power load.

• Masungit na konstruksiyon at cost-effective na disenyo: Ang mga SCR ay mekanikal na matatag, thermally matatag, at idinisenyo upang mapaglabanan ang mataas na alon ng alon. Ang kanilang simpleng panloob na istraktura ay ginagawang medyo mura ang mga ito kumpara sa iba pang mga switch ng semiconductor ng kuryente.

• Angkop para sa AC power control: Dahil ang mga SCR ay natural na naka-OFF kapag ang kasalukuyang AC ay tumatawid sa zero (natural na commutation), ang mga ito ay mainam para sa mga application ng AC phase control tulad ng light dimmers, heater controllers, at AC voltage regulators.

Mga limitasyon ng SCR

• Unidirectional conduction: Ang isang SCR ay nagsasagawa ng kasalukuyang lamang sa pasulong na direksyon. Hindi ito maaaring harangan ang reverse kasalukuyang nang epektibo maliban kung ginamit sa mga karagdagang bahagi tulad ng mga diode, na nililimitahan ang paggamit nito sa ilang mga AC control circuit.

• Hindi maaaring i-OFF gamit ang gate terminal: Habang ang SCR ay maaaring ma-trigger sa pamamagitan ng gate, hindi ito tumutugon sa anumang signal ng gate para sa pag-OFF. Ang kasalukuyang ay dapat mahulog sa ibaba ng hawak na kasalukuyang o isang sapilitang pamamaraan ng commutation ay dapat gamitin sa DC circuits.

• Nangangailangan ng mga circuit ng commutation sa mga aplikasyon ng DC: Sa purong mga circuit ng DC, ang SCR ay hindi nakakakuha ng isang natural na kasalukuyang zero-point upang i-OFF. Kinakailangan ang mga panlabas na circuit ng commutation, na nagdaragdag ng pagiging kumplikado ng circuit at gastos.

• Limitadong bilis ng paglipat: Ang mga SCR ay medyo mabagal kumpara sa mga modernong switch ng semiconductor tulad ng MOSFETs o IGBTs. Ginagawa nitong hindi angkop ang mga ito para sa mga application ng paglipat ng mataas na dalas.

• Sensitibo sa mataas na dv / dt at labis na boltahe kondisyon: Ang isang mabilis na pagtaas sa boltahe sa buong SCR o labis na pansamantalang boltahe ay maaaring mag-trigger ng maling turn-ON, na nakakaapekto sa pagiging maaasahan. Kinakailangan ang mga snubber circuit at tamang proteksiyon na bahagi upang maiwasan ang misfiring at pagkabigo ng aparato.

Mga aplikasyon ng SCR

• Kinokontrol na Rectifiers (AC sa DC converters) - Ginagamit sa pagsingil ng baterya at variable na mga supply ng DC.

• AC Voltage Controllers - Banayad na dimmers, mga kontrol sa bilis ng fan, at mga regulator ng pampainit.

• DC Motor Speed Control - Ginagamit sa variable-speed DC drive.

• Inverters at Converters - Para sa DC sa AC power conversion.

• Proteksyon ng Overvoltage (Crowbar Circuits) - Pinoprotektahan ang mga suplay ng kuryente mula sa mga surge ng boltahe.

• Static Switch / Solid State Relays - Mabilis na paglipat nang walang mekanikal na pagsusuot.

• Power Regulators - Ginagamit sa induction heating at pang-industriya furnaces.

• Soft Starters para sa Motors - Kinokontrol ang inrush kasalukuyang sa panahon ng pagsisimula ng motor.

• Mga Sistema ng Paghahatid ng Kuryente - Ginagamit sa mga sistema ng HVDC (Mataas na Boltahe na Direktang Kasalukuyang).

Paghahambing ng SCR vs GTO

Ang Gate Turn-Off Thyristor (GTO) ay isa pang miyembro ng pamilya ng thyristor at madalas na inihahambing sa mga SCR.

Pagsubok SCR na may Ohmmeter

Bago mag-install ng isang SCR sa isang circuit ng kuryente, mahalagang suriin na ito ay malusog sa kuryente. Ang isang may sira na SCR ay maaaring maging sanhi ng maikling circuit o pagkabigo ng buong system. Ang pangunahing pagsubok ay maaaring gawin gamit ang isang digital o analog multimeter kasama ang isang maliit na supply ng DC para sa pag-trigger ng pag-verify.

1 Gate-to-Cathode Junction Test

Sinusuri nito kung ang gate junction ay kumikilos tulad ng isang diode.

• Itakda ang multimeter sa mode ng pagsubok ng diode

• Ikonekta ang positibong (+) probe sa Gate (G) at negatibong (–) probe sa Cathode (K). Ang isang normal na pagbabasa ay nagpapakita ng isang pasulong na pagbaba ng boltahe sa pagitan ng 0.5V at 0.7V

• Baligtarin ang mga probe (+ sa K, - sa G). Ang metro ay dapat magpakita ng OL (open loop) o napakataas na paglaban

Pagsubok sa Pag-block ng Anode-to-Cathode

Tinitiyak nito na ang SCR ay hindi maikli sa loob.

• Panatilihin ang multimeter sa mode ng diode o mode ng paglaban

• Ikonekta + probe sa Anode (A) at - probe sa Cathode (K). Dapat harangan ng SCR ang kasalukuyang at ipakita ang bukas na circuit (walang kondalo)

• Baligtarin ang mga probe (+ sa K, - sa A). Ang pagbabasa ay dapat pa ring bukas na circuit

SCR Triggering (Latching) Test

Kinukumpirma nito kung ang SCR ay maaaring i-ON at mag-latch nang maayos.

• Gumamit ng isang 6V o 9V na baterya na may isang 1kΩ resistor sa serye

• Ikonekta ang baterya + sa Anode (A) at baterya - sa Cathode (K)

• Maikling ikonekta ang Gate (G) sa Anode sa pamamagitan ng isang 100-220Ω resistor. Ang SCR ay dapat lumipat ON at latch, na nagpapahintulot sa kasalukuyang dumaloy kahit na matapos alisin ang koneksyon sa gate.

• Para patayin ito, idiskonekta ang kuryente—i-unlatch ng SCR

Konklusyon

Ang Silicon Controlled Rectifier ay nananatiling isang pangunahing sangkap sa mga sistema ng kontrol ng kuryente dahil sa kahusayan nito, mataas na pagiging maaasahan, at kakayahang hawakan ang malalaking de-koryenteng paglo-load. Mula sa regulasyon ng boltahe ng AC hanggang sa kontrol ng DC motor at mga sistema ng conversion ng industriya, ang mga SCR ay patuloy na gumaganap ng isang mahalagang papel sa electrical engineering. Ang isang matatag na pag-unawa sa mga pangunahing kaalaman ng SCR ay tumutulong sa pagdidisenyo ng ligtas at mahusay na mga elektronikong circuit ng kuryente.

Mga Madalas Itanong [FAQ]

Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng SCR at TRIAC?

Ang isang TRIAC ay maaaring magsagawa ng kasalukuyang sa parehong direksyon at ginagamit sa mga application ng AC control tulad ng mga dimmers at fan regulator. Ang isang SCR ay nagsasagawa ng kasalukuyang sa isang direksyon lamang at pangunahing ginagamit para sa kontrol o pagwawasto ng DC.

Bakit kailangan ng isang SCR ng isang commutation circuit?

Sa mga circuit ng DC, ang isang SCR ay hindi maaaring i-off gamit ang gate terminal lamang. Pinipilit ng isang commutation circuit ang kasalukuyang bumaba sa ibaba ng hawak na kasalukuyang, na tumutulong sa SCR na ligtas na mag-OFF.

Ano ang sanhi ng pagkabigo ng isang SCR?

Ang pagkabigo ng SCR ay karaniwang sanhi ng labis na boltahe, mataas na surge current, hindi wastong pagwawaldas ng init, o maling paglipat na na-trigger ng dv / dt. Ang paggamit ng mga snubber circuit at heat sink ay nakakatulong na maiwasan ang pagkabigo.

Maaari bang kontrolin ng isang SCR ang kapangyarihan ng AC?

Oo, maaaring kontrolin ng mga SCR ang AC power gamit ang phase angle control. Sa pamamagitan ng pagkaantala ng anggulo ng pagpapaputok ng signal ng gate sa bawat AC cycle, ang output boltahe at kapangyarihan na naihatid sa load ay maaaring ayusin.

Ano ang kasalukuyang hawak sa isang SCR?

Ang paghawak ng kasalukuyang ay ang minimum na kasalukuyang kinakailangan upang mapanatili ang SCR sa estado ng ON. Kung ang kasalukuyang ay bumaba sa ibaba ng antas na ito, awtomatikong naka-off ang SCR kahit na dati itong na-trigger.