Redresor controlat cu siliciu (SCR) – Metode de lucru, construcție, declanșare, tipuri și aplicații

Un redresor controlat cu siliciu (SCR) este un dispozitiv semiconductor de putere cheie utilizat pe scară largă pentru controlul tensiunii și curentului înalt în sistemele electrice și industriale. Capacitatea sa de a comuta și regla eficient puterea îl face util în convertoare, motoare și circuite de automatizare. Acest articol explică construcția SCR, principiul de funcționare, caracteristicile, tipurile și aplicațiile practice într-un mod clar și structurat.

Ce este un redresor controlat cu siliciu (SCR)?

Un redresor controlat de siliciu (SCR) este un dispozitiv semiconductor de putere cu trei terminale utilizat pentru a controla și comuta tensiunea și curentul înalt în circuitele electrice. Este un membru al familiei tiristoarelor și are o structură PNPN cu patru straturi. Spre deosebire de o diodă simplă, un SCR permite comutarea controlată, deoarece pornește numai atunci când este aplicat un semnal de declanșare a porții. Este utilizat pe scară largă în convertoare AC/DC, acționări de motoare, încărcătoare de baterii și automatizări industriale datorită capacității și eficienței sale ridicate de gestionare a puterii.

Construcția și simbolul SCR

Un redresor controlat de siliciu (SCR) este construit folosind patru straturi alternative de materiale semiconductoare de tip P și N, formând o structură PNPN cu trei joncțiuni: J1, J2 și J3. Are trei terminale:

• Anod (A): Conectat la stratul P exterior

• Catod (K): Conectat la stratul exterior N

• Poarta (G): Conectată la stratul P interior și utilizată pentru declanșare

Interal, un SCR poate fi modelat ca doi tranzistori interconectați - un PNP și un NPN - formând o buclă de feedback regenerativ. Această structură internă explică comportamentul de blocare al SCR-ului, unde continuă să conducă chiar și după ce semnalul de poartă este îndepărtat.

Simbolul SCR seamănă cu o diodă, dar include un terminal de poartă pentru control. Curentul curge de la anod la catod atunci când dispozitivul este declanșat prin poartă.

Funcționarea SCR

SCR funcționează în trei stări electrice bazate pe tensiunea anod-catod și semnalul de poartă:

Modul de blocare inversă

Când anodul este făcut negativ în raport cu catodul, joncțiunile J1 și J3 sunt polarizate invers. Curge doar un mic curent de scurgere. Depășirea limitei de tensiune inversă poate deteriora dispozitivul.

Mod de blocare înainte (stare OPRIT)

Cu anodul pozitiv și catod negativ, joncțiunile J1 și J3 sunt polarizate înainte, în timp ce J2 este invers. SCR rămâne oprit în această stare chiar dacă se aplică tensiunea directă, împiedicând fluxul de curent până când este furnizat un declanșator.

Mod de conducere înainte (stare ON)

Aplicarea unui impuls de poartă în polarizarea directă injectează purtători care joncțesc J2, permițând conducerea. Odată pornit, SCR se blochează și continuă să conducă chiar și după ce semnalul de poartă este eliminat, atâta timp cât curentul rămâne deasupra curentului de reținere.

Caracteristicile V-I ale SCR

Caracteristica V-I definește modul în care curentul dispozitivului răspunde la tensiunea aplicată în diferite regiuni de funcționare:

• Regiune de blocare inversă: Curentul minim curge sub polarizare inversă până când are loc defecțiunea.

• Regiune de blocare înainte: Tensiunea directă crește, dar curentul rămâne scăzut până când se atinge tensiunea de rupere înainte (VBO).

• Regiune de conducție directă: După declanșarea printr-un impuls de poartă, SCR trece rapid la o stare ON cu rezistență scăzută, cu o mică cădere de tensiune înainte (1-2V).

Creșterea curentului de poartă schimbă tensiunea de rupere înainte mai jos, permițând pornirea mai devreme. Acest lucru este util în circuitele de curent alternativ controlate în fază.

Caracteristicile de comutare ale SCR

Caracteristicile de comutare descriu comportamentul SCR în timpul tranzițiilor între stările OFF și ON:

• Timp de pornire (tonă): Timpul necesar pentru ca SCR să treacă complet de la OFF la ON după un impuls de poartă. Se compune din timp de întârziere, timp de ridicare și timp de răspândire. Pornirea mai rapidă asigură o comutare eficientă în convertoare și invertoare.

• Timp de oprire (tq): După oprirea conducției, SCR are nevoie de timp pentru a-și recăpăta capacitatea de blocare înainte datorită suporturilor de încărcare stocate. Această întârziere este solicitată în aplicațiile de înaltă frecvență, iar circuitele de comutare externe sunt necesare în sistemele de curent continuu.

Tipuri de SCR

SCR-urile sunt disponibile în diferite stiluri de construcție și clase de performanță pentru a satisface cerințele diferitelor aplicații de tensiune, curent și comutare. Mai jos sunt explicate principalele tipuri de SCR-uri fără a utiliza un format de tabel, așa cum s-a solicitat.

SCR din plastic discret

Acesta este un SCR mic, cu putere redusă, de obicei ambalat în carcase TO-92, TO-126 sau TO-220. Este economic și utilizat în mod obișnuit în circuitele electronice cu curent redus. Aceste SCR sunt ideale pentru comutarea simplă a curentului alternativ, sisteme de control cu consum redus de energie, variatoare de lumină și circuite de încărcare a bateriei.

Modul din plastic SCR

Acest tip este conceput pentru manipularea curentului mediu spre mare. Este închis într-un modul compact din plastic care asigură izolare electrică și montare ușoară. Aceste SCR-uri sunt utilizate pe scară largă în sistemele UPS, unitățile industriale de control al puterii, mașinile de sudură și controlerele de viteză a motorului.

Pachetul de presă SCR

Pachetele de presă SCR sunt dispozitive grele construite într-un pachet metalic robust, asemănător unui disc. Oferă performanțe termice excelente și capacitate de curent ridicat și nu necesită lipire. În schimb, acestea sunt fixate între radiatoare sub presiune, făcându-le potrivite pentru aplicații de înaltă fiabilitate, cum ar fi acționări industriale, sisteme de tracțiune, transmisie de energie HVDC și rețele electrice.

SCR cu comutare rapidă

SCR-urile cu comutare rapidă, numite și SCR de calitate invertor, sunt proiectate pentru circuite care funcționează la frecvențe mai mari. Au un timp scurt de oprire și pierderi reduse de comutare în comparație cu SCR-urile standard. Aceste dispozitive sunt utilizate în mod obișnuit în tocătoare, convertoare DC-DC, invertoare de înaltă frecvență și surse de alimentare cu impulsuri.

Metode de pornire ale SCR

Diferite moduri de a declanșa un SCR în conducție includ:

Declanșarea porții (cea mai frecventă): Un impuls de poartă de putere redusă pornește SCR într-o manieră controlată. Utilizat în majoritatea aplicațiilor industriale.

Declanșare a tensiunii directe: Dacă tensiunea directă depășește tensiunea de rupere, SCR pornește fără un impuls de poartă, în general evitat din cauza stresului asupra dispozitivului.

Declanșare termică (nedorită): Excesul de temperatură poate începe neintenționat conducerea; Răcirea necorespunzătoare trebuie evitată.

Declanșarea luminii (LASCR): SCR-urile sensibile la lumină folosesc fotoni pentru a declanșa conducerea în aplicații de izolare de înaltă tensiune.

Declanșare dv/dt (nedorită): O creștere rapidă a tensiunii directe poate provoca pornirea accidentală din cauza capacității joncțiunii. Circuitele de amortizor împiedică acest lucru.

Avantajele și limitările SCR

Avantajele SCR

• Manipulare mare a puterii și tensiunii: SCR-urile sunt capabile să controleze cantități mari de putere, adesea în intervalul sute până la mii de volți și amperi, făcându-le potrivite pentru aplicații industriale grele, cum ar fi acționările motoarelor, transmisia HVDC și convertoarele de putere.

• Eficiență ridicată și pierderi reduse de conducere: Odată pornit, SCR conduce cu o cădere de tensiune foarte mică (de obicei 1-2 volți), rezultând o disipare redusă a puterii și o eficiență ridicată de funcționare.

• Cerință de curent de poartă mică: Dispozitivul are nevoie doar de un curent mic de declanșare la terminalul porții pentru a porni, permițând circuitelor simple de control cu putere redusă să comute sarcini de mare putere.

• Construcție robustă și design rentabil: SCR-urile sunt robuste din punct de vedere mecanic, stabile termic și proiectate pentru a rezista la curenți de supratensiune mari. Structura lor internă simplă le face, de asemenea, relativ ieftine în comparație cu alte comutatoare semiconductoare de putere.

• Potrivit pentru controlul puterii de curent alternativ: Deoarece SCR-urile se opresc în mod natural atunci când curentul de curent alternativ trece de zero (comutare naturală), acestea sunt ideale pentru aplicații de control de fază de curent alternativ, cum ar fi variatoare de lumină, controlere de încălzire și regulatoare de tensiune de curent alternativ.

Limitările SCR

• Conducere unidirecțională: Un SCR conduce curentul numai în direcția înainte. Nu poate bloca curentul invers în mod eficient decât dacă este utilizat cu componente suplimentare, cum ar fi diodele, limitând utilizarea sa în unele circuite de control AC.

• Nu poate fi oprit folosind terminalul de poartă: Deși SCR poate fi declanșat prin poartă, acesta nu răspunde la niciun semnal de poartă pentru oprire. Curentul trebuie să scadă sub curentul de reținere sau trebuie utilizată o tehnică de comutare forțată în circuitele de curent continuu.

• Necesită circuite de comutare în aplicații de curent continuu: În circuitele de curent continuu pur, SCR-ul nu primește un punct zero de curent natural pentru a se opri. Sunt necesare circuite de comutare externe, crescând complexitatea și costul circuitului.

• Viteză de comutare limitată: SCR-urile sunt relativ lente în comparație cu switch-urile semiconductoare moderne, cum ar fi MOSFET-urile sau IGBT-urile. Acest lucru le face nepotrivite pentru aplicații de comutare de înaltă frecvență.

• Sensibil la condiții ridicate de dv/dt și supratensiune: O creștere rapidă a tensiunii peste SCR sau o tensiune tranzitorie excesivă poate declanșa o pornire falsă, afectând fiabilitatea. Sunt necesare circuite de amortizare și componente de protecție adecvate pentru a preveni aprinderea greșită și defectarea dispozitivului.

Aplicațiile SCR

• Redresoare controlate (convertoare AC-DC) – Utilizate în încărcarea bateriei și surse DC variabile.

• Controlere de tensiune AC – variatoare de lumină, comenzi de viteză a ventilatorului și regulatoare de încălzire.

• Controlul vitezei motorului DC – Utilizat în unitățile DC cu viteză variabilă.

• Invertoare și convertoare – Pentru conversia puterii DC în AC.

• Protecție la supratensiune (circuite de rangă) – Protejează sursele de alimentare împotriva supratensiunilor.

• Întrerupătoare statice / relee SSD – Comutare rapidă fără uzură mecanică.

• Regulatoare de putere – Utilizate în încălzirea cu inducție și cuptoarele industriale.

• Soft Starters pentru motoare – Controlează curentul de pornire în timpul pornirii motorului.

• Sisteme de transmisie a puterii – utilizate în sistemele HVDC (curent continuu de înaltă tensiune).

Comparație SCR vs GTO

Un tiristor cu oprire a porții (GTO) este un alt membru al familiei tiristoarelor și este adesea comparat cu SCR-urile.

Testarea SCR cu ohmmetru

Înainte de a instala un SCR într-un circuit de alimentare, este important să verificați dacă este sănătos din punct de vedere electric. Un SCR defect poate provoca scurtcircuite sau defectarea întregului sistem. Testarea de bază poate fi făcută folosind un multimetru digital sau analogic împreună cu o sursă mică de curent continuu pentru declanșarea verificării.

1 Test de joncțiune poartă-catod

Acestea verifică dacă joncțiunea porții se comportă ca o diodă.

• Setați multimetrul în modul de testare a diodei

• Conectați sonda pozitivă (+) la poartă (G) și sonda negativă (–) la catod (K). O citire normală arată o cădere de tensiune înainte între 0,5 V și 0,7 V

• Inversați sondele (+ la K, – la G). Contorul ar trebui să arate OL (buclă deschisă) sau rezistență foarte mare

Test de blocare anod-catod

Acest lucru asigură că SCR nu este scurtcircuitat intern.

• Păstrați multimetrul în modul diodă sau modul rezistență

• Conectați sonda + la anodul (A) și sonda – la catod (K). SCR-ul ar trebui să blocheze curentul și să arate circuit deschis (fără conducție)

• Inversați sondele (+ la K, – la A). Citirea ar trebui să fie în continuare în circuit deschis

Test de declanșare SCR (blocare)

Acest lucru confirmă dacă SCR se poate porni și se poate bloca corect.

• Utilizați o baterie de 6V sau 9V cu un rezistor de 1kΩ în serie

• Conectați bateria + la anod (A) și bateria - la catod (K)

• Conectați scurt poarta (G) la anod printr-un rezistor de 100-220Ω. SCR-ul ar trebui să pornească și să se blocheze, permițând curentului să curgă chiar și după scoaterea conexiunii porții.

• Pentru a-l opri, deconectați alimentarea - SCR se va debloca

Concluzie

Redresorul controlat de siliciu rămâne o componentă cheie în sistemele de control al puterii datorită eficienței, fiabilității ridicate și capacității de a gestiona sarcini electrice mari. De la reglarea tensiunii de curent alternativ la controlul motoarelor de curent continuu și sistemele de conversie industrială, SCR-urile continuă să joace un rol vital în ingineria electrică. O înțelegere solidă a elementelor de bază ale SCR ajută la proiectarea circuitelor electronice de putere sigure și eficiente.

Întrebări frecvente [FAQ]

Care este diferența dintre SCR și TRIAC?

Un TRIAC poate conduce curentul în ambele direcții și este utilizat în aplicații de control AC, cum ar fi variatoare și regulatoare de ventilatoare. Un SCR conduce curentul doar într-o singură direcție și este utilizat în principal pentru controlul sau rectificarea curentului continuu.

De ce are nevoie un SCR de un circuit de comutare?

În circuitele de curent continuu, un SCR nu se poate opri folosind doar terminalul de poartă. Un circuit de comutare forțează curentul să scadă sub curentul de reținere, ajutând SCR-ul să se oprească în siguranță.

Ce cauzează eșecul unui SCR?

Defecțiunea SCR este de obicei cauzată de supratensiune, curent de supratensiune ridicat, disipare necorespunzătoare a căldurii sau comutare falsă declanșată de dv/dt. Utilizarea circuitelor de amortizare și a radiatoarelor ajută la prevenirea defecțiunilor.

Poate un SCR să controleze alimentarea de curent alternativ?

Da, SCR-urile pot controla alimentarea AC folosind controlul unghiului de fază. Prin întârzierea unghiului de tragere al semnalului de poartă în timpul fiecărui ciclu de curent alternativ, tensiunea de ieșire și puterea furnizată sarcinii pot fi reglate.

Care este curentul de reținere într-un SCR?

Curentul de menținere este curentul minim necesar pentru a menține SCR în starea ON. Dacă curentul scade sub acest nivel, SCR se oprește automat chiar dacă a fost declanșat anterior.