Rectificadors controlats de silici: conceptes bàsics, operació i aplicacions

Proveu El Nostre Instrument Per Eliminar Problemes





L’electrònica de potència moderna va començar realment amb l’aparició dels tiristor. Els tiristors també es coneixen com els rectificadors controlats per silici o SCR. Es tracta de dispositius semiconductors de quatre capes i tres terminals. I els tiristors són dispositius unidireccionals.

Els rectificadors controlats amb silici són dispositius semiconductors que s’utilitzen normalment per controlar l’alta potència acoblada a l’alta tensió. Per tant, aquests dispositius troben aplicacions en sistemes de control de potència de corrent altern d’alta tensió, circuits de regulació de làmpades, circuits reguladors, etc. SCR també troba aplicació en la rectificació de corrent altern d’alta potència en transmissions de corrent continu d’alta tensió. El SCR pertany a la família dels Tiristor i, en realitat, el nom SCR és el nom comercial del Tiristor de General Electrics.




El SCR és un dispositiu de quatre capes amb materials alternatius tipus N i P. El SCR consisteix en una semiconductor de quatre capes que forma una estructura PNPN o NPNP. El silici s’utilitza com a semiconductor intrínsec al qual s’afegeixen els dopants adequats. Té tres terminals anomenats ànode, càtode i porta. El càtode és el més fortament dopat i la porta i l’ànode són menys fortament dopats. La capa central de tipus N només es dopa lleugerament i també és més gruixuda que les altres capes que la permeten suportar un voltatge de bloqueig elevat.

El SCR té tres unions: J1, J2 i J3. L'ànode està connectat al material de tipus P de l'estructura PNPN mentre que el càtode està connectat al material de tipus N. La porta està connectada al material de tipus P proper al càtode.



Es tracta de dispositius unidireccionals i que condueixen el corrent només en una direcció. És a dir, d’Ànode a Càtode. El desencadenament de SCR té lloc quan la seva porta obté un voltatge positiu. SCR s’utilitza generalment en aplicacions de commutació com el controlador de relés, carregadors de bateries, etc.

El tiristor té tres estats bàsics:


Bloqueig invers: En aquest estat, el tiristor bloqueja el corrent de la mateixa manera que el d’un díode de polarització inversa.

Bloqueig cap endavant: En aquest estat, el operació de tiristor és tal que bloqueja la conducció de corrent cap endavant que normalment portaria un díode esbiaixat cap endavant.

Direcció endavant: En aquest estat, el tiristor s'ha desencadenat a la conducció. Es mantindrà conduint fins que el corrent directe caigui per sota del valor llindar conegut com a corrent de retenció.

Operació Tiristor

SÍMBOL SCR

SÍMBOL SCR

El SCR inicia la conducció quan està esbiaixat cap endavant. Amb aquest propòsit, el càtode es manté en negatiu i l’ànode en tensió positiva. Quan s'aplica la tensió de polarització directa a la SCR, la unió J1 i J3 es polaritzen cap endavant mentre que la unió J2 es polaritza cap a la inversa. Quan s'aplica una tensió positiva a la porta, la unió J2 es polaritza cap endavant i l'SCR s'encén.

TIRISTOR

En funcionament, el tiristor es pot considerar com un transistor NPN i PNP connectat esquena amb esquena, formant un bucle de retroalimentació positiva dins del dispositiu. El transistor amb el seu emissor connectat al càtode del tiristor és un dispositiu NPN mentre que el transistor amb el seu emissor connectat a l’ànode del tiristor és un dispositiu PNP . La porta està connectada a la base del transistor NPN. La sortida d’un transistor s’alimenta a l’entrada del segon i la sortida del segon transistor, al seu torn, es retroalimenta a l’entrada del primer. Això significa que quan comença a fluir un corrent, s’acumula ràpidament fins que els dos transistors estiguin completament engegats o saturats. Vegem un petit exemple:

Des del circuit inferior, aquí hem utilitzat un tiristor TYN616.

Circuit TIRISTOR

  • Quan la porta està oberta, es determinen tres tensions de trencament en funció de la tensió directa mínima a la qual el tiristor condueix fortament. Ara, la major part de la tensió d’alimentació apareix a través de la resistència de càrrega. El corrent de retenció és la porta de corrent d'ànode màxima oberta quan es produeix un trencament.
  • Quan la porta en estat OFF el tiristor proporciona una resistència infinita que en estat ON, ofereix una resistència molt baixa, que oscil·la entre 0,010 i 10.

Mode de desencadenament

En l'estat normal apagat, SCR impedeix el flux de corrent a través d'ell, però quan la porta del càtode augmenta i supera un nivell determinat, l'SCR s'encén i es comporta com un transistor. Una particularitat important de la SCR és que, una vegada que es realitza, roman bloquejat i continua funcionant fins i tot després d’eliminar el voltatge de la porta. El SCR roman activat fins que el corrent de retenció dels dispositius caigui a un valor baix. Però si la porta obté una tensió polsant i el corrent a través d’ella és inferior al corrent de bloqueig, el SCR es mantindrà en estat apagat. El SCR es pot activar sense una tensió positiva a la porta. El SCR sol estar connectat amb l’ànode al rail positiu i el càtode al rail negatiu. Si augmenta la tensió aplicada a l’ànode, l’acoblament capacitiu del dispositiu indueix la càrrega a la porta i es dispara el SCR. Aquest tipus d'activació sense el corrent de porta extern es coneix com a 'activador DV / dt'. Això sol passar a l’encesa. Això s’anomena efecte Rate.

Però l’activació de DV / dt no activarà completament el SCR i el SCR parcialment activat dissiparà molta energia i el dispositiu pot danyar-se. Per evitar el desencadenament de DV / dt, s’utilitza una xarxa desconfiada. Un altre mode d’activació és augmentar la tensió directa de SCR per sobre del voltatge de ruptura nominal. El desencadenament de tensió directa es produeix quan la tensió a través del SCR augmenta amb la porta oberta. Això s'anomena 'avalanche breakdown' durant el qual es produeix la avaria de la unió 2 del dispositiu. Això també engega parcialment el SCR i danyarà el dispositiu. Per tant, la tensió no ha de superar la tensió nominal del SCR.

Com apagar el SCR?

Un cop l'SCR estigui engegat, estarà en mode de conducció fins i tot després d'eliminar el corrent de la porta. Es tracta de bloqueig SCR. El SCR es pot apagar mitjançant l’activació inversa. Es pot fer aplicant una tensió negativa a la porta. El dispositiu també es pot apagar eliminant el corrent d'ànode o curtcircuitant la porta i el càtode momentàniament.

Aplicacions de Tiristor:

Els tiristor s’utilitzen principalment en dispositius on es requereix el control d’alta potència, possiblement acoblat a alta tensió. El seu funcionament els fa adequats per al seu ús en aplicacions de control de potència de CA de mitja o alta tensió, per exemple, atenuació de làmpades, controladors i motor control .

Una aplicació del control de relés SCR mitjançant SCR:

RELLEU CONTROLAT SCR

Si es prem l’interruptor S1 momentàniament, el relé s’encendrà. Es pot desactivar prement S2.

Si el commutador S1 se substitueix per un LDR i R1 amb una configuració predeterminada de 4,7 K, el relé s’encendrà quan caigui llum a LDR. Ajusteu el punt d'activació predefinit.

Si l'interruptor S1 se substitueix per un termògraf NTC (Coeficient de temperatura negatiu) de 4,7 K i R1 amb un preajust de 1 K, el relé s'encén quan augmenta la temperatura. Ajusteu el punt d'activació predefinit.

Crèdit fotogràfic: