یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی

یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی (SCR)

یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی (SCR) که به نام تریستور نیز شناخته می شود، یک قطعه الکتریکی با توان بالا است. دارای مزایای اندازه کوچک، راندمان بالا و عمر طولانی است. در سیستم های کنترل اتوماتیک می توان از آن به عنوان یک درایور پرقدرت برای کنترل دستگاه های پرقدرت با کنترل های کم مصرف استفاده کرد. این به طور گسترده ای در سیستم های کنترل سرعت موتور AC و دی سی، سیستم های تنظیم قدرت و سیستم های سروو استفاده شده است.

دو نوع تریستور وجود دارد: تریستور یک طرفه و تریستور دو طرفه. تریستور دو جهته که با نام تریستور دو طرفه سه ترمینال نیز شناخته می شود که به اختصار TRIAC نامیده می شود. تریستور دو طرفه از نظر ساختاری معادل دو تریستور یک طرفه است که به صورت معکوس به هم متصل شده اند و این نوع تریستور دارای عملکرد هدایت دو طرفه است. وضعیت روشن/خاموش آن توسط قطب کنترل G تعیین می‌شود. افزودن یک پالس مثبت (یا منفی) به قطب کنترل G می‌تواند آن را در جهت جلو (یا معکوس) هدایت کند. مزیت این دستگاه این است که مدار کنترل ساده است و مشکل مقاومت در برابر ولتاژ معکوس وجود ندارد، بنابراین برای استفاده به عنوان کلید بدون تماس AC مناسب است.

1 ساختار SCR

ما از تریستورهای یک جهته استفاده می کنیم که به عنوان تریستور معمولی نیز شناخته می شوند. آنها از چهار لایه مواد نیمه هادی، با سه اتصال پ.ن و سه الکترود خارجی تشکیل شده اند [شکل 2 (الف)]: الکترودی که از اولین لایه نیمه هادی نوع P به بیرون هدایت می شود، آند A نامیده می شود، الکترود که به بیرون هدایت می شود. لایه سوم نیمه هادی نوع P الکترود کنترل G نامیده می شود و الکترود که از لایه چهارم نیمه هادی نوع N خارج می شود کاتد K نامیده می شود. از نماد الکترونیکی تریستور [شکل. 2 (ب)]، می‌توانیم ببینیم که یک دستگاه رسانای یک طرفه مانند دیود است. نکته کلیدی اضافه کردن یک الکترود کنترل G است که باعث می شود مشخصات عملکردی کاملاً متفاوتی با دیود داشته باشد.

دستگاه چهار لایه سه ترمینال P1N1P2N2، بر اساس تک کریستال سیلیکون به عنوان ماده اولیه، در سال 1957 شروع به کار کرد. به دلیل ویژگی های مشابه با تریستورهای خلاء، معمولاً در سطح بین المللی به عنوان تریستور سیلیکونی شناخته می شود که به اختصار تریستور T نامیده می شود. در ابتدا در یکسوسازی استاتیک استفاده می شد، آنها همچنین به عنوان عناصر یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی شناخته می شوند که به اختصار تریستور SCR نامیده می شود.

از نظر عملکرد، یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی نه تنها دارای رسانایی واحد است، بلکه قابلیت کنترل با ارزش تری نسبت به اجزای یکسو کننده سیلیکونی دارد (معمولاً به نام"سیلیکون مرده"). فقط دو حالت دارد: روشن و خاموش.

تریستور می تواند تجهیزات الکترومکانیکی پرقدرت را با جریان سطح میلی آمپر کنترل کند. اگر از این توان تجاوز شود، متوسط ​​جریان مجاز برای عبور به دلیل افزایش قابل توجهی در تلفات سوئیچینگ قطعات کاهش می یابد. در این زمان، جریان نامی باید برای استفاده کاهش یابد.

تریستور مزایای زیادی دارد، مانند کنترل توان بالا با توان کم، و ضریب تقویت توان می تواند به چند صد هزار برابر برسد. پاسخ بسیار سریع، روشن و خاموش شدن در عرض میکروثانیه؛ بدون عملیات تماس، بدون جرقه، بدون سر و صدا. راندمان بالا، هزینه کم و غیره

تریستورها از نظر ظاهر عمدتاً به شکل پیچ، صفحه تخت و ته تخت طبقه بندی می شوند.

ساختار اجزای تریستور

صرف نظر از ظاهر تریستور، هسته آنها یک ساختار چهار لایه P1N1P2N2 است که از سیلیکون نوع P و سیلیکون نوع N تشکیل شده است. شکل 1 را ببینید. دارای سه اتصال پ.ن (J1، J2، J3) است که آند A از لایه P1 ساختار J1، کاتد K از لایه N2 و الکترود کنترل G از لایه P2 وارد شده است. بنابراین، این یک دستگاه نیمه هادی چهار لایه، سه ترمینال است.

2 اصل عملیاتی

عناصر ساختاری

تریستور یک عنصر ساختاری چهار لایه سه پایانه P1N1P2N2 با سه اتصال پ.ن است. هنگام تجزیه و تحلیل اصل، می توان آن را متشکل از یک ترانزیستور PNP و یک ترانزیستور NPN در نظر گرفت و نمودار معادل آن در شکل سمت راست نشان داده شده است. تریستور دو جهته: تریستور دو جهته یک دستگاه یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی است که به نام TRIAC نیز شناخته می شود. این دستگاه می تواند به کنترل بدون تماس برق AC در مدارها دست یابد و جریان های بزرگ را با جریان های کوچک کنترل کند. از مزایای بدون جرقه، عملکرد سریع، عمر طولانی، قابلیت اطمینان بالا و ساختار مدار ساده است. تریستور دو طرفه از نظر ظاهری بسیار شبیه به تریستور معمولی با سه الکترود است. با این حال، به جز یک الکترود G، که هنوز الکترود کنترل نامیده می شود، دو الکترود دیگر معمولاً دیگر آند و کاتد نامیده نمی شوند، بلکه در مجموع به عنوان الکترودهای اصلی Tl و T2 نامیده می شوند. نماد آن نیز با نماد تریستورهای معمولی متفاوت است که با معکوس کردن اتصال دو تریستور به یکدیگر، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. مدل آن به طور کلی با نشان داده شده است."3CTS"یا"KS"در چین؛ داده های خارجی را می توان با "TRIAC" نیز نشان داد. مشخصات، مدل ها، شکل ظاهری و آرایش پین های الکترود تریستور دو طرفه بسته به سازنده متفاوت است، اما بیشتر پایه های الکترود آن از چپ به راست به ترتیب T1، T2 و G چیده شده اند (در صورت مشاهده، پایه های الکترود عبارتند از رو به پایین و رو به سمتی که با کاراکتر مشخص شده است). شکل ظاهری و آرایش پین الکترودی رایج ترین تریستور دو طرفه ساختار محصور شده پلاستیکی در بازار در شکل 1 نشان داده شده است.

3 ویژگی SCR

برای درک شهودی خصوصیات کار تریستورها، بیایید نگاهی به این تابلوی آموزشی بیندازیم (شکل 3). تریستور در مقابل به صورت سری با لامپ کوچک EL وصل شده و از طریق کلید S به منبع تغذیه دی سی متصل می شود. توجه داشته باشید که آند A به قطب مثبت منبع تغذیه وصل شده است، کاتد K به قطب منفی برق متصل است. تغذیه و الکترود کنترل G از طریق کلید دکمه ای SB به قطب مثبت منبع تغذیه 1.5 ولت دی سی متصل می شود (در اینجا از تریستورهای نوع KP1 استفاده می شود و در صورت استفاده از تریستورهای نوع KP5 باید به قطب مثبت برق وصل شوند. منبع تغذیه 3 ولت دی سی). روش اتصال بین تریستور و منبع تغذیه را اتصال رو به جلو می نامند، به این معنی که ولتاژ مثبت به هر دو قطب آند و کنترل تریستور اعمال می شود. کلید برق S را روشن کنید، اما لامپ کوچک روشن نمی شود، که نشان می دهد تریستور رسانا نیست. کلید دکمه SB را دوباره فشار دهید تا یک ولتاژ راه اندازی به قطب کنترل وارد شود. لامپ کوچک روشن می شود و نشان می دهد که تریستور رسانا است. این آزمایش نمایشی چه الهامی به ما داد؟

این آزمایش به ما می گوید که برای رسانایی تریستور، یکی اعمال ولتاژ رو به جلو بین آند A و کاتد K و دیگری وارد کردن ولتاژ ماشه رو به جلو بین الکترود کنترل G و کاتد K است. پس از چرخاندن تریستور. روشن، کلید دکمه را رها کنید، ولتاژ راه انداز را بردارید و همچنان حالت هدایت را حفظ کنید.

4 ویژگی SCR

در یک لمس. با این حال، اگر ولتاژ معکوس به آند یا الکترود کنترل اعمال شود، تریستور نمی تواند هدایت کند. عملکرد قطب کنترل این است که تریستور را با اعمال یک پالس ماشه رو به جلو روشن می کند، اما نمی توان آن را خاموش کرد. بنابراین، از چه روشی می توان برای خاموش کردن تریستور رسانا استفاده کرد؟ با خاموش کردن تریستور رسانا، منبع تغذیه آند (سوئیچ S در شکل 3) را می توان قطع کرد یا جریان آند را می توان به حداقل مقدار لازم برای حفظ تداوم کاهش داد (که به عنوان جریان تعمیر و نگهداری از آن یاد می شود). اگر بین آند و کاتد تریستور یک ولتاژ AC یا ولتاژ دی سی ضربانی اعمال شود، هنگامی که ولتاژ از صفر عبور کند، تریستور به طور خودکار خاموش می شود.

نوع برنامه

شکل 4 منحنی مشخصه تریستور دو طرفه را نشان می دهد.

همانطور که در شکل نشان داده شده است، منحنی مشخصه تریستور دو طرفه از منحنی های داخل ربع اول و سوم تشکیل شده است. منحنی در ربع اول نشان می دهد که وقتی ولتاژ اعمال شده به الکترود اصلی باعث می شود تی سی قطبیت مثبتی نسبت به T1 داشته باشد، آن را ولتاژ رو به جلو می نامند و با نماد U21 نشان داده می شود. هنگامی که این ولتاژ به تدریج به ولتاژ نقطه عطف UBO افزایش می یابد، تریستور در سمت چپ شکل 3 (ب) باعث هدایت می شود و جریان حالت روشن در این زمان I21 است که از T2 به Tl جریان می یابد. از شکل مشاهده می شود که هر چه جریان آغازگر بزرگتر باشد، ولتاژ چرخش کمتر است. این وضعیت با قانون هدایت محرک تریستور معمولی مطابقت دارد. هنگامی که ولتاژ اعمال شده به الکترود اصلی باعث می شود که Tl یک قطب مثبت نسبت به T2 داشته باشد، ولتاژ معکوس نامیده می شود و با نماد U12 نشان داده می شود. هنگامی که این ولتاژ به مقدار ولتاژ نقطه عطف می رسد، تریستور در سمت راست شکل 3 (ب) باعث هدایت می شود و جریان در این زمان I12 است، با جهتی از T1 به T2. در این مرحله، منحنی مشخصه تریستور دو طرفه در ربع سوم شکل 4 نشان داده شده است.

چهار روش تحریک

با توجه به اینکه روی الکترود اصلی تریستور دو طرفه بدون توجه به اینکه ولتاژ رو به جلو یا معکوس اعمال می شود و سیگنال ماشه رو به جلو باشد یا معکوس می توان آن را راه اندازی و هدایت کرد، چهار روش راه اندازی زیر را دارد: 1) هنگامی که ولتاژ اعمال شده توسط الکترود اصلی T2 به Tl یک ولتاژ رو به جلو است، ولتاژ اعمال شده توسط الکترود کنترل G به اولین الکترود Tl نیز یک سیگنال ماشه رو به جلو است (شکل 5a). پس از اینکه تریستور دو طرفه هدایت را تحریک کرد، جهت جریان I2l از T2 به T1 جریان می یابد. از منحنی مشخصه می توان دریافت که قانون هدایت ماشه تریستور دو طرفه با توجه به ویژگی های ربع دوم انجام می شود و چون سیگنال ماشه در جهت رو به جلو است، این ماشه نامیده می شود."ماشه ربع اول جلو"یا روش I+ماشه. (2) اگر ولتاژ رو به جلو همچنان به الکترود اصلی T2 اعمال شود و سیگنال ماشه به سیگنال معکوس تغییر یابد (شکل 5b)، پس از اینکه تریستور دو طرفه هدایت را تحریک کرد، جهت جریان حالت روشن همچنان از T2 به T1. ما به این ماشه می گوییم"ماشه منفی ربع اول"یا روش I-ماشه. (3) دو الکترود اصلی با ولتاژ معکوس U12 اعمال می شوند (شکل 5c)، و یک سیگنال ماشه رو به جلو ورودی است. پس از روشن شدن تریستور دو طرفه، جریان حالت روشن از T1 به T2 می‌رود. تریستور دو طرفه بر اساس منحنی مشخصه ربع سوم عمل می کند، بنابراین این ماشه را روش III+ ماشه می نامند. (4) دو الکترود اصلی همچنان ولتاژ معکوس U12 را اعمال می کنند و ورودی یک سیگنال ماشه معکوس است (شکل 5d). پس از روشن شدن تریستور دو طرفه، جریان حالت روشن همچنان از T1 به T2 جریان دارد. این ماشه لمس III نامیده می شود

(4) دو الکترود اصلی همچنان ولتاژ معکوس U12 را اعمال می کنند و ورودی یک سیگنال ماشه معکوس است (شکل 5d). پس از روشن شدن تریستور دو طرفه، جریان حالت روشن همچنان از T1 به T2 جریان دارد. این ماشه را روش تریگر III می نامند. اگرچه تریستور دو طرفه دارای چهار روش راه اندازی فوق است، ولتاژ و جریان راه انداز مورد نیاز برای راه اندازی سیگنال منفی نسبتاً کم است. کار نسبتاً قابل اعتماد است، بنابراین روش های تحریک منفی به طور گسترده در استفاده عملی استفاده می شود.

5 هدف

اساسی ترین کاربرد تریستورهای معمولی یکسوسازی قابل کنترل است. مدار یکسو کننده دیود آشنا متعلق به یک مدار یکسو کننده غیرقابل کنترل است. اگر دیود با تریستور جایگزین شود، یک مدار یکسو کننده قابل کنترل می تواند تشکیل شود. با در نظر گرفتن ساده‌ترین مدار یکسوکننده نیمه موج قابل کنترل تک فاز به عنوان مثال، در طول نیم سیکل مثبت ولتاژ AC سینوسی U2، اگر قطب کنترل در مقابل پالس ماشه اوگ را وارد نکند، در مقابل هنوز نمی‌تواند هدایت کند. تنها زمانی که U2 در نیم سیکل مثبت قرار دارد و پالس ماشه اوگ به قطب کنترل اعمال می شود، تریستور برای هدایت تحریک می شود. شکل موج (c) و (d) آن را رسم کنید، و تنها زمانی که پالس ماشه اوگ رسید، خروجی ولتاژ UL روی بار RL وجود خواهد داشت. اوگ زود می رسد، و زمان هدایت تریستور زود است. اوگ دیر رسید و زمان هدایت تریستور دیرتر بود. با تغییر زمان رسیدن پالس ماشه اوگ به قطب کنترل، ولتاژ خروجی متوسط ​​UL روی بار را می توان تنظیم کرد. در فناوری الکتریکی، نیم سیکل جریان متناوب اغلب در 180 درجه تنظیم می شود که به عنوان زاویه الکتریکی شناخته می شود. به این ترتیب، زاویه الکتریکی تجربه شده در طول هر نیم سیکل مثبت U2 از صفر تا لحظه رسیدن پالس ماشه، زاویه کنترل α نامیده می شود. زاویه الکتریکی که در آن تریستور در هر نیم سیکل مثبت هدایت می کند، زاویه هدایت θ نامیده می شود. بدیهی است که α و θ هر دو برای نشان دادن رسانایی یا بازه مسدود کردن تریستورها در طول نیم سیکل ولتاژ مقاومت به جلو استفاده می شوند. با تغییر زاویه کنترل α یا زاویه هدایت θ؛ با تغییر مقدار متوسط ​​UL ولتاژ دی سی پالس روی بار، یکسوسازی قابل کنترل حاصل می شود.

1: یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی دو طرفه محصور شده پلاستیکی کم توان معمولاً به عنوان یک سیستم روشنایی آکوستوپتیک استفاده می شود. جریان نامی: IA کمتر از 2A است.

2: بزرگ؛ تریستورهای مهر و موم شده پلاستیکی و آهنی با قدرت متوسط ​​معمولاً به عنوان مدارهای تنظیم کننده ولتاژ قابل کنترل از نوع توان استفاده می شوند. مانند منبع تغذیه دی سی خروجی قابل تنظیم ولتاژ و غیره.

3: تریستور با فرکانس بالا با قدرت بالا معمولاً در صنعت استفاده می شود. کوره ذوب فرکانس بالا و غیره