Siliziumgesteuerter Gleichrichter

Siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR)

Der siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR), auch Thyristor genannt, ist eine elektrische Hochleistungskomponente. Es bietet die Vorteile einer geringen Größe, eines hohen Wirkungsgrads und einer langen Lebensdauer. In automatischen Steuerungssystemen kann es als Hochleistungstreiber verwendet werden, um Hochleistungsgeräte mit Steuerungen mit geringer Leistung zu steuern. Es wird häufig in Drehzahlregelungssystemen für Wechsel- und Gleichstrommotoren, Leistungsregelungssystemen und Servosystemen eingesetzt.

Es gibt zwei Arten von Thyristoren: unidirektionale Thyristoren und bidirektionale Thyristoren. Bidirektionaler Thyristor, auch bekannt als bidirektionaler Thyristor mit drei Anschlüssen, abgekürzt als TRIAC. Ein bidirektionaler Thyristor entspricht strukturell zwei umgekehrt geschalteten unidirektionalen Thyristoren, und dieser Thyristortyp verfügt über eine bidirektionale Leitungsfunktion. Sein Ein-/Aus-Zustand wird durch den Steuerpol G bestimmt. Durch Hinzufügen eines positiven (oder negativen) Impulses zum Steuerpol G kann dieser in Vorwärtsrichtung (oder Rückwärtsrichtung) leitend gemacht werden. Der Vorteil dieses Geräts besteht darin, dass die Steuerschaltung einfach ist und kein Problem mit der Rückspannungsfestigkeit besteht, sodass es sich besonders für den Einsatz als kontaktloser Wechselstromschalter eignet.

1 SCR-Struktur

Wir verwenden unidirektionale Thyristoren, auch gewöhnliche Thyristoren genannt. Sie bestehen aus vier Schichten Halbleitermaterial mit drei PN-Übergängen und drei Außenelektroden [Abbildung 2 (a)]: Die aus der ersten Schicht des P-Typ-Halbleiters herausgeführte Elektrode wird als Anode A bezeichnet, die aus der ersten Schicht des P-Typ-Halbleiters herausgeführte Elektrode Die dritte Schicht des Halbleiters vom P-Typ wird als Steuerelektrode G bezeichnet, und die aus der vierten Schicht des Halbleiters vom N-Typ herausgeführte Elektrode wird als Kathode K bezeichnet. Aus dem elektronischen Symbol des Thyristors [Abb. 2 (b)] können wir sehen, dass es sich um ein unidirektional leitendes Gerät wie die Diode handelt. Der Schlüssel besteht darin, eine Steuerelektrode G hinzuzufügen, wodurch sie völlig andere Betriebseigenschaften als die Diode aufweist.

Das P1N1P2N2-Bauelement mit vier Schichten und drei Anschlüssen, das auf einem Silizium-Einkristall als Grundmaterial basiert, begann im Jahr 1957. Aufgrund seiner Eigenschaften, die denen von Vakuumthyristoren ähneln, wird es international allgemein als Silizium-Thyristoren bezeichnet, abgekürzt als Thyristoren T. Darüber hinaus, weil Thyristoren Ursprünglich wurden sie in der statischen Gleichrichtung eingesetzt, sie werden auch als siliziumgesteuerte Gleichrichterelemente, abgekürzt als Thyristor SCR, bezeichnet.

In Bezug auf die Leistung verfügen Silizium-Gleichrichter nicht nur über eine einfache Leitfähigkeit, sondern auch über eine bessere Steuerbarkeit als Silizium-Gleichrichterkomponenten (allgemein bekannt als)."totes Silizium"). Es gibt nur zwei Zustände: Ein und Aus.

Thyristoren können leistungsstarke elektromechanische Geräte mit einem Strom im Milliampere-Bereich steuern. Wenn diese Leistung überschritten wird, verringert sich der durchschnittliche durchgelassene Strom aufgrund eines erheblichen Anstiegs der Schaltverluste der Komponenten. Zu diesem Zeitpunkt sollte der Nennstrom zur Verwendung herabgestuft werden.

Es gibt viele Vorteile von Thyristoren, wie z. B. die Steuerung hoher Leistung bei geringer Leistung, und der Leistungsverstärkungsfaktor kann mehrere hunderttausend Mal betragen; Extrem schnelle Reaktion, Ein- und Ausschalten innerhalb von Mikrosekunden; Keine Kontaktbetätigung, keine Funken, kein Lärm; Hohe Effizienz, niedrige Kosten usw.

Thyristoren werden hauptsächlich hinsichtlich ihres Aussehens in bolzenförmige, flache plattenförmige und flache bodenförmige Thyristoren eingeteilt.

Aufbau von Thyristorkomponenten

Unabhängig vom Aussehen des Thyristors besteht sein Kern aus einer vierschichtigen P1N1P2N2-Struktur, die aus Silizium vom P-Typ und Silizium vom N-Typ besteht. Siehe Abbildung 1. Es verfügt über drei PN-Übergänge (J1, J2, J3), wobei Anode A aus der P1-Schicht der J1-Struktur eingeführt wird, Kathode K aus der N2-Schicht eingeführt wird und Steuerelektrode G aus der P2-Schicht eingeführt wird. Daher handelt es sich um ein Halbleiterbauelement mit vier Schichten und drei Anschlüssen.

2 Funktionsprinzip

Strukturelemente

Der Thyristor ist ein P1N1P2N2-Strukturelement mit vier Schichten und drei Anschlüssen und drei PN-Übergängen. Bei der Analyse des Prinzips kann man davon ausgehen, dass es aus einem PNP-Transistor und einem NPN-Transistor besteht. Das entsprechende Diagramm ist in der rechten Abbildung dargestellt. Bidirektionaler Thyristor: Ein bidirektionaler Thyristor ist ein siliziumgesteuertes Gleichrichtergerät, auch bekannt als TRIAC. Dieses Gerät kann die Wechselstromleistung in Stromkreisen kontaktlos steuern und große Ströme mit kleinen Strömen steuern. Die Vorteile sind Funkenfreiheit, schnelle Wirkungsweise, lange Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit und eine vereinfachte Schaltungsstruktur. Vom Aussehen her ähnelt der bidirektionale Thyristor stark dem gewöhnlichen Thyristor mit drei Elektroden. Bis auf eine Elektrode G, die weiterhin als Steuerelektrode bezeichnet wird, werden die beiden anderen Elektroden jedoch üblicherweise nicht mehr als Anode und Kathode bezeichnet, sondern gemeinsam als Hauptelektroden Tl und T2 bezeichnet. Sein Symbol unterscheidet sich auch von dem gewöhnlicher Thyristoren, das durch Umkehren der Verbindung zweier Thyristoren miteinander dargestellt wird, wie in Abbildung 2 dargestellt. Sein Modell wird im Allgemeinen durch dargestellt"3CTS"oder"KS"in China; Fremddaten können auch durch „TRIAC“ dargestellt werden. Die Spezifikationen, Modelle, das Aussehen und die Anordnung der Elektrodenstifte von bidirektionalen Thyristoren variieren je nach Hersteller, aber die meisten Elektrodenstifte sind von links nach rechts in der Reihenfolge T1, T2 und G angeordnet (bei Betrachtung sind die Elektrodenstifte in der Reihenfolge T1, T2 und G angeordnet). nach unten und auf die mit Zeichen gekennzeichnete Seite zeigen). Das Aussehen und die Anordnung der Elektrodenstifte des gängigsten bidirektionalen Thyristors mit Kunststoffkapselung auf dem Markt sind in Abbildung 1 dargestellt.

3 SCR-Eigenschaften

Um die Arbeitseigenschaften von Thyristoren intuitiv zu verstehen, werfen wir einen Blick auf diese Lehrtafel (Abbildung 3). Der Thyristor VS ist in Reihe mit der kleinen Glühbirne EL geschaltet und über den Schalter S mit der Gleichstromversorgung verbunden. Beachten Sie, dass Anode A mit dem Pluspol der Stromversorgung verbunden ist, Kathode K mit dem Minuspol der Stromversorgung Die Steuerelektrode G ist über den Knopfschalter SB mit dem Pluspol der 1,5-V-Gleichstromversorgung verbunden (hier werden Thyristoren vom Typ KP1 verwendet, und wenn Thyristoren vom Typ KP5 verwendet werden, sollten sie mit dem Pluspol der Stromversorgung verbunden werden 3V DC-Stromversorgung). Die Verbindungsmethode zwischen dem Thyristor und der Stromversorgung wird als Vorwärtsschaltung bezeichnet. Dies bedeutet, dass die positive Spannung sowohl an die Anoden- als auch an die Steuerpole des Thyristors angelegt wird. Schalten Sie den Netzschalter S ein, aber die kleine Glühbirne leuchtet nicht auf, was darauf hinweist, dass der Thyristor nicht leitet; Drücken Sie den Knopfschalter SB erneut, um eine Auslösespannung an den Steuerpol einzugeben. Das Aufleuchten der kleinen Glühbirne zeigt an, dass der Thyristor leitet. Welche Inspiration hat uns dieses Demonstrationsexperiment gegeben?

Dieses Experiment zeigt uns, dass zum einen der Thyristor leitend gemacht werden soll, indem man eine Durchlassspannung zwischen seiner Anode A und seiner Kathode K anlegt und zum anderen eine Vorwärtstriggerspannung zwischen seiner Steuerelektrode G und der Kathode K einspeist. Nachdem der Thyristor eingeschaltet wurde Einschalten, Knopfschalter loslassen, Auslösespannung entfernen und weiterhin den Leitungszustand beibehalten.

4 Eigenschaften von SCR

Auf einen Schlag. Liegt jedoch an der Anode oder Steuerelektrode eine Sperrspannung an, kann der Thyristor nicht leiten. Die Funktion des Steuerpols besteht darin, den Thyristor durch Anlegen eines Vorwärts-Triggerimpulses einzuschalten, er kann jedoch nicht ausgeschaltet werden. Welche Methode kann also verwendet werden, um den leitenden Thyristor auszuschalten? Durch Abschalten des leitenden Thyristors kann die Anodenstromversorgung (Schalter S in Abbildung 3) unterbrochen oder der Anodenstrom auf den zur Aufrechterhaltung der Kontinuität erforderlichen Mindestwert (als Erhaltungsstrom bezeichnet) reduziert werden. Wenn zwischen Anode und Kathode des Thyristors eine Wechselspannung oder eine pulsierende Gleichspannung angelegt wird, schaltet sich der Thyristor automatisch ab, wenn die Spannung den Nulldurchgang durchläuft.

Anwendungstyp

Abbildung 4 zeigt die Kennlinie eines bidirektionalen Thyristors.

Wie in der Abbildung dargestellt, besteht die Kennlinie eines bidirektionalen Thyristors aus Kurven im ersten und dritten Quadranten. Die Kurve im ersten Quadranten zeigt, dass, wenn die an die Hauptelektrode angelegte Spannung dazu führt, dass Tc eine positive Polarität gegenüber T1 aufweist, dies als Durchlassspannung bezeichnet und durch das Symbol U21 dargestellt wird. Wenn diese Spannung allmählich auf die Wendepunktspannung UBO ansteigt, löst der Thyristor auf der linken Seite von Abbildung 3 (b) die Leitung aus, und der Strom im eingeschalteten Zustand beträgt zu diesem Zeitpunkt I21 und fließt von T2 nach Tl. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Schaltspannung umso geringer ist, je größer der Auslösestrom ist. Diese Situation steht im Einklang mit dem Auslöseleitungsgesetz eines gewöhnlichen Thyristors. Wenn die an die Hauptelektrode angelegte Spannung dazu führt, dass Tl eine positive Polarität gegenüber T2 aufweist, spricht man von einer Sperrspannung und wird durch das Symbol U12 dargestellt. Wenn diese Spannung den Wendepunkt-Spannungswert erreicht, löst der Thyristor auf der rechten Seite von Abbildung 3 (b) die Leitung aus, und der Strom beträgt zu diesem Zeitpunkt I12 mit einer Richtung von T1 nach T2. An dieser Stelle ist die Kennlinie des bidirektionalen Thyristors im dritten Quadranten von Abbildung 4 dargestellt.

Vier Auslösemethoden

Aufgrund der Tatsache, dass an der Hauptelektrode des bidirektionalen Thyristors dieser gezündet und geleitet werden kann, unabhängig davon, ob eine Vorwärts- oder Rückwärtsspannung anliegt und ob das Auslösesignal vorwärts oder rückwärts ist, verfügt er über die folgenden vier Auslösemethoden: ( 1) Wenn die von der Hauptelektrode T2 an Tl angelegte Spannung eine Durchlassspannung ist, ist die von der Steuerelektrode G an die erste Elektrode Tl angelegte Spannung auch ein Vorwärts-Triggersignal (Abbildung 5a). Nachdem der bidirektionale Thyristor die Leitung aktiviert hat, fließt der Strom I2l in der Richtung von T2 nach T1. Aus der Kennlinie ist ersichtlich, dass das Leitungsgesetz des bidirektionalen Thyristor-Triggers gemäß den Eigenschaften des zweiten Quadranten ausgeführt wird. Da das Triggersignal in Vorwärtsrichtung erfolgt, wird dieser Trigger als „Thyristor-Trigger“ bezeichnet"Vorwärtstrigger im ersten Quadranten"oder die I+Trigger-Methode. (2) Wenn die Vorwärtsspannung immer noch an der Hauptelektrode T2 anliegt und das Triggersignal in ein Rückwärtssignal geändert wird (Abbildung 5b), dann ist die Richtung des Durchlassstroms immer noch von T2 nach, nachdem der bidirektionale Thyristor die Leitung ausgelöst hat T1. Wir nennen diesen Auslöser"Negativer Auslöser im ersten Quadranten"oder die I-Trigger-Methode. (3) An zwei Hauptelektroden wird eine Sperrspannung U12 angelegt (Abbildung 5c) und ein Vorwärtstriggersignal eingegeben. Nachdem der bidirektionale Thyristor eingeschaltet ist, fließt der Strom im eingeschalteten Zustand von T1 nach T2. Der bidirektionale Thyristor arbeitet nach der dritten Quadranten-Kennlinie, daher wird diese Triggerung als III+Trigger-Methode bezeichnet. (4) Die beiden Hauptelektroden legen immer noch die umgekehrte Spannung U12 an, und der Eingang ist ein umgekehrtes Triggersignal (Abbildung 5d). Nachdem der bidirektionale Thyristor eingeschaltet ist, fließt der Einschaltstrom weiterhin von T1 nach T2. Dieser Auslöser wird III Touch genannt

(4) Die beiden Hauptelektroden legen immer noch die umgekehrte Spannung U12 an, und der Eingang ist ein umgekehrtes Triggersignal (Abbildung 5d). Nachdem der bidirektionale Thyristor eingeschaltet ist, fließt der Strom im eingeschalteten Zustand immer noch von T1 nach T2. Dieser Trigger wird als III-Trigger-Methode bezeichnet. Obwohl bidirektionale Thyristoren über die oben genannten vier Auslösemethoden verfügen, sind die für die Auslösung durch negative Signale erforderliche Auslösespannung und der Auslösestrom relativ gering. Die Arbeit ist relativ zuverlässig, daher werden in der Praxis häufig negative Triggermethoden eingesetzt.

5 Zweck

Die grundlegendste Verwendung gewöhnlicher Thyristoren ist die steuerbare Gleichrichtung. Die bekannte Diodengleichrichterschaltung gehört zu einer unkontrollierbaren Gleichrichterschaltung. Wird die Diode durch einen Thyristor ersetzt, kann eine steuerbare Gleichrichterschaltung gebildet werden. Am Beispiel der einfachsten einphasigen steuerbaren Halbwellengleichrichterschaltung kann VS während der positiven Halbwelle der sinusförmigen Wechselspannung U2 immer noch nicht leiten, wenn der Steuerpol von VS den Triggerimpuls Ug nicht eingibt. Erst wenn sich U2 in der positiven Halbwelle befindet und der Zündimpuls Ug am Steuerpol anliegt, wird der Thyristor leitend gesteuert. Zeichnen Sie die Wellenformen (c) und (d) und erst wenn der Triggerimpuls Ug eintrifft, wird an der Last RL eine Spannung UL ausgegeben. Ug kommt früh an und die Thyristor-Leitungszeit ist früh; Ug kam spät an und die Leitzeit des Thyristors war später. Durch Änderung des Zeitpunkts, zu dem der Triggerimpuls Ug am Steuerpol ankommt, kann die mittlere Ausgangsspannung UL an der Last angepasst werden. In der Elektrotechnik wird die Halbwelle des Wechselstroms oft auf 180° eingestellt, der sogenannte elektrische Winkel. Auf diese Weise wird der elektrische Winkel, der während jeder positiven Halbwelle von U2 von Null bis zum Eintreffen des Triggerimpulses auftritt, als Steuerwinkel α bezeichnet. Der elektrische Winkel, bei dem der Thyristor innerhalb jeder positiven Halbwelle leitet, wird als Leitungswinkel θ bezeichnet 。 Offensichtlich werden α und θ beide verwendet, um den Leitungs- oder Sperrbereich von Thyristoren während einer halben Periode der Durchlassspannung darzustellen. Durch Ändern des Steuerwinkels α oder des Leitungswinkels θ wird durch Ändern des Durchschnittswerts UL der Impuls-Gleichspannung an der Last eine steuerbare Gleichrichtung erreicht.

1: Ein in Kunststoff gekapselter, bidirektionaler, siliziumgesteuerter Gleichrichter mit geringem Stromverbrauch wird üblicherweise als akustooptisches Beleuchtungssystem verwendet. Nennstrom: IA beträgt weniger als 2A.

2: Groß; Kunststoff- und eisenversiegelte Thyristoren mittlerer Leistung werden üblicherweise als steuerbare Spannungsregelkreise des Leistungstyps verwendet. Wie ein Gleichstromnetzteil mit einstellbarer Ausgangsspannung usw.

3: Hochleistungs-Hochfrequenz-Thyristor wird häufig in der Industrie verwendet; Hochfrequenzschmelzofen usw