Piiohjattu tasasuuntaaja (SCR) – työskentely, rakentaminen, laukaisumenetelmät, tyypit ja sovellukset

Piiohjattu tasasuuntaaja (SCR) on keskeinen tehopuolijohdelaite, jota käytetään laajalti korkeajännitteen ja virran ohjaamiseen sähkö- ja teollisuusjärjestelmissä. Sen kyky kytkeä ja säätää tehoa tehokkaasti tekee siitä hyödyllisen muuntimissa, moottorikäytöissä ja automaatiopiireissä. Tässä artikkelissa selitetään SCR-rakenne, toimintaperiaate, ominaisuudet, tyypit ja käytännön sovellukset selkeästi ja jäsennellysti.

Mikä on piiohjattu tasasuuntaaja (SCR)?

Piiohjattu tasasuuntaaja (SCR) on kolminapainen tehopuolijohdelaite, jota käytetään ohjaamaan ja kytkemään korkeaa jännitettä ja virtaa sähköpiireissä. Se kuuluu tyristoriperheeseen ja sillä on nelikerroksinen PNPN-rakenne. Toisin kuin yksinkertainen diodi, SCR mahdollistaa hallitun kytkennän, koska se kytkeytyy päälle vain, kun portin liipaisusignaalia käytetään. Sitä käytetään laajalti AC/DC-muuntimissa, moottorikäytöissä, akkulatureissa ja teollisuusautomaatiossa sen korkean tehonkäsittelykyvyn ja tehokkuuden vuoksi.

SCR:n rakenne ja tunnus

Piiohjattu tasasuuntaaja (SCR) on rakennettu käyttämällä neljää vaihtoehtoista kerrosta P-tyypin ja N-tyypin puolijohdemateriaaleja, jotka muodostavat PNPN-rakenteen, jossa on kolme liitosta: J1, J2 ja J3. Siinä on kolme liitintä:

• Anodi (A): Kytketty ulompaan P-kerrokseen

• Katodi (K): Kytketty ulompaan N-kerrokseen

• Portti (G): Kytketty sisempään P-kerrokseen ja käytetään laukaisuun

Ensinnäkin SCR voidaan mallintaa kahdeksi toisiinsa kytketyksi transistoriksi – yksi PNP ja yksi NPN – jotka muodostavat regeneratiivisen takaisinkytkentäsilmukan. Tämä sisäinen rakenne selittää SCR:n lukituskäyttäytymisen, jossa se jatkaa johtamista myös hilasignaalin poistamisen jälkeen.

SCR-symboli muistuttaa diodia, mutta sisältää hilaliittimen ohjausta varten. Virta kulkee anodista katodille, kun laite laukaistaan portin läpi.

SCR:n toiminta

SCR toimii kolmessa sähkötilassa, jotka perustuvat anodi-katodijännitteeseen ja hilasignaaliin:

Käänteinen estotila

Kun anodi tehdään negatiiviseksi suhteessa katodiin, liitokset J1 ja J3 ovat käänteisiä esijännitteitä. Vain pieni vuotovirta virtaa. Käänteisen jänniterajan ylittäminen voi vahingoittaa laitetta.

Eteenpäin estotila (OFF-tila)

Kun anodi on positiivinen ja katodi negatiivinen, risteykset J1 ja J3 ovat eteenpäin esijännittyneitä, kun taas J2 ovat käänteisiä esijännitteitä. SCR pysyy pois päältä tässä tilassa, vaikka myötäjännite on kytketty, mikä estää virran kulumisen, kunnes liipaisin annetaan.

Eteenpäin johtava tila (ON-tila)

Hilapulssin käyttäminen eteenpäin suuntautuvassa esijännityksessä ruiskuttaa kantajiin, jotka mahdollistavat johtumisen. Kun se on päällä, SCR lukittuu ja jatkaa johtamista myös hilasignaalin poistamisen jälkeen, kunhan virta pysyy pitovirran yläpuolella.

SCR:n V-I-ominaisuudet

V-I-ominaisuus määrittää, kuinka laitteen virta reagoi syötettyyn jännitteeseen eri käyttöalueilla:

• Käänteinen estoalue: Minimaalinen virta kulkee käänteisellä esijännityksellä, kunnes rikkoutuminen tapahtuu.

• Eteenpäin estävä alue: Myötäjännite kasvaa, mutta virta pysyy alhaisena, kunnes myötäläpimurtojännite (VBO) saavutetaan.

• Eteenpäin johtava alue: Hilapulssin laukaisun jälkeen SCR siirtyy nopeasti matalaresistanssiseen ON-tilaan pienellä myötäjännitehäviöllä (1–2 V).

Hilavirran lisääminen siirtää eteenpäin läpimurtojännitettä alemmaksi, mikä mahdollistaa aikaisemman päällekytkennän. Tämä on hyödyllistä vaiheohjatuissa vaihtovirtapiireissä.

SCR:n kytkentäominaisuudet

Kytkentäominaisuudet kuvaavat SCR:n käyttäytymistä OFF- ja ON-tilojen välisten siirtymien aikana:

• Käynnistysaika (tonnia): Aika, joka kuluu, jotta SCR siirtyy kokonaan OFF-asennosta ON-asentoon hilapulssin jälkeen. Se koostuu viiveajasta, nousuajasta ja leviämisajasta. Nopeampi käynnistys varmistaa muuntajien ja invertterien tehokkaan kytkennän.

• Sammutusaika (tq): Johtumisen pysähtymisen jälkeen SCR tarvitsee aikaa palauttaakseen eteenpäin estokykynsä tallennettujen varauskantajien ansiosta. Tämä viive on kysytty suurtaajuisissa sovelluksissa, ja tasavirtajärjestelmissä tarvitaan ulkoisia kommutointipiirejä.

SCR:n tyypit

SCR-laitteita on saatavana eri rakennustyyleissä ja suorituskykyluokissa, jotka täyttävät erilaisten jännite-, virta- ja kytkentäsovellusten vaatimukset. Alla on tärkeimmät SCR-tyypit, jotka selitetään ilman taulukkomuotoa, kuten pyydetään.

Erillinen muovinen SCR

Tämä on pieni, pienitehoinen SCR, joka on yleensä pakattu TO-92-, TO-126- tai TO-220-koteloihin. Se on taloudellinen ja sitä käytetään yleisesti heikkovirtaisissa elektronisissa piireissä. Nämä SCR:t ovat ihanteellisia yksinkertaiseen vaihtovirtakytkentään, pienitehoisiin ohjausjärjestelmiin, valonhimmentimille ja akkulaturipiireihin.

Muovimoduuli SCR

Tämä tyyppi on suunniteltu keskisuuren tai suuren virran käsittelyyn. Se on suljettu kompaktiin muovimoduuliin, joka tarjoaa sähköeristyksen ja helpon asennuksen. Näitä SCR:itä käytetään laajalti UPS-järjestelmissä, teollisuuden tehonsäätöyksiköissä, hitsauskoneissa ja moottorin nopeudensäätimissä.

Paina Pack SCR

Puristuspakkausten SCR:t ovat raskaita laitteita, jotka on rakennettu kestävään metallilevymäiseen pakkaukseen. Ne tarjoavat erinomaisen lämpötehon ja suuren virtakapasiteetin, eivätkä ne vaadi juottamista. Sen sijaan ne kiinnitetään paineen alaisena olevien jäähdytyselementtien väliin, joten ne soveltuvat erittäin luotettaviin sovelluksiin, kuten teollisuuskäyttöön ja vetojärjestelmiin, HVDC-voimansiirtoon ja sähköverkkoihin.

Nopea SCR-kytkentä

Nopeasti kytkeytyvät SCR:t, joita kutsutaan myös invertteritason SCR:iksi, on suunniteltu piireille, jotka toimivat korkeammilla taajuuksilla. Niillä on lyhyt sammutusaika ja pienemmät kytkentähäviöt verrattuna tavallisiin SCR-laitteisiin. Näitä laitteita käytetään yleisesti silppureissa, DC-DC-muuntimissa, suurtaajuusinverttereissä ja pulssivirtalähteissä.

SCR:n käynnistysmenetelmät

Erilaisia tapoja laukaista SCR johtumiseen ovat:

Portin laukaisu (yleisin): Pienitehoinen porttipulssi kytkee SCR:n päälle hallitusti. Käytetään useimmissa teollisissa sovelluksissa.

Eteenpäin Voltage Laukaisu: Jos myötäjännite ylittää läpilyöntijännitteen, SCR kytkeytyy päälle ilman hilapulssia, jota yleensä vältetään laitteen rasituksen vuoksi.

Lämpölaukaisu (ei-toivottu): Liiallinen lämpötila voi tahattomasti aloittaa johtumisen; Väärää jäähdytystä on vältettävä.

Valon laukaisu (LASCR): Valoherkät SCR:t käyttävät fotoneja johtumisen laukaisemiseen suurjänniteeristyssovelluksissa.

dv/dt-laukaisu (ei-toivottu): Nopea nousu myötäjännite voi aiheuttaa vahingossa käynnistymisen liitoskapasitanssin vuoksi. Snubber-piirit estävät tämän.

SCR:n edut ja rajoitukset

SCR:n edut

• Suuren tehon ja jännitteen käsittely: SCR:t pystyvät ohjaamaan suuria määriä tehoa, usein sadoista tuhansiin voltteihin ja ampeeriin, joten ne soveltuvat raskaan teollisuuden sovelluksiin, kuten moottorikäyttöihin, HVDC-vaihteistoihin ja tehomuuntimiin.

• Korkea hyötysuhde ja pienet johtumishäviöt: Kun SCR kytketään päälle, se johtaa hyvin pienellä jännitehäviöllä (tyypillisesti 1–2 volttia), mikä johtaa alhaiseen tehohäviöön ja korkeaan toimintahyötysuhteeseen.

• Pieni porttivirran vaatimus: Laite tarvitsee vain pienen laukaisuvirran hilaliittimessä kytkeytyäkseen päälle, jolloin yksinkertainen pienitehoinen ohjauspiiri voi kytkeä suuritehoisia kuormia.

• Vankka rakenne ja kustannustehokas rakenne: SCR:t ovat mekaanisesti kestäviä, lämpöstabiileja ja suunniteltu kestämään suuria ylijännitevirtoja. Niiden yksinkertainen sisäinen rakenne tekee niistä myös suhteellisen edullisia verrattuna muihin tehopuolijohdekytkimiin.

• Soveltuu vaihtovirran ohjaukseen: Koska SCR:t sammuvat luonnollisesti, kun vaihtovirta ylittää nollan (luonnollinen kommutaatio), ne ovat ihanteellisia AC-vaiheohjaussovelluksiin, kuten valonhimmentimiin, lämmittimen säätimiin ja vaihtojännitteensäätimiin.

SCR:n rajoitukset

• Yksisuuntainen johtavuus: SCR johtaa virtaa vain eteenpäin. Se ei voi estää käänteisvirtaa tehokkaasti, ellei sitä käytetä lisäkomponenttien, kuten diodien, kanssa, mikä rajoittaa sen käyttöä joissakin vaihtovirtaohjauspiireissä.

• Ei voi kytkeä pois päältä porttiliittimellä: Vaikka SCR voidaan laukaista PÄÄLLE portin kautta, se ei reagoi mihinkään hilasignaaliin sammuttamiseksi. Virran on laskettava pitovirran alapuolelle tai tasavirtapiireissä on käytettävä pakotettua kommutointitekniikkaa.

• Vaatii kommutointipiirejä tasavirtasovelluksissa: Puhtaissa tasavirtapiireissä SCR ei saa luonnollisen virran nollapistettä sammuakseen. Tarvitaan ulkoisia kommutointipiirejä, mikä lisää piirin monimutkaisuutta ja kustannuksia.

• Rajoitettu kytkentänopeus: SCR:t ovat suhteellisen hitaita verrattuna nykyaikaisiin puolijohdekytkimiin, kuten MOSFET- tai IGBT-kytkimiin. Tämän vuoksi ne eivät sovellu suurtaajuisiin kytkentäsovelluksiin.

• Herkkä korkeille dv/dt- ja ylijänniteolosuhteille: Nopea jännitteen nousu SCR:n yli tai liiallinen transienttijännite voi laukaista väärän käynnistyksen, mikä vaikuttaa luotettavuuteen. Vaimennuspiirit ja asianmukaiset suojakomponentit tarvitaan sytytyskatkojen ja laitevikojen estämiseksi.

SCR:n soveltaminen

• Ohjatut tasasuuntaajat (AC-DC-muuntimet) – Käytetään akun latauksessa ja muuttuvassa tasavirtalähteessä.

• AC Voltage Säätimet – Valon himmentimet, tuulettimen nopeuden säätimet ja lämmittimen säätimet.

• DC-moottorin nopeuden säätö – Käytetään säädettävänopeuksisissa tasavirtataajuusmuuttajissa.

• Invertterit ja muuntimet – DC-AC-virran muuntamiseen.

• Ylijännitesuojaus (sorkkarautapiirit) – Suojaa virtalähteitä jännitepiikkeiltä.

• Staattiset kytkimet / puolijohdereleet – Nopea kytkentä ilman mekaanista kulumista.

• Tehonsäätimet – Käytetään induktiolämmityksessä ja teollisuusuuneissa.

• Moottoreiden pehmokäynnistimet – Ohjaa käynnistysvirtaa moottorin käynnistyksen aikana.

• Voimansiirtojärjestelmät – Käytetään HVDC (High Voltage Direct Current) -järjestelmissä.

SCR vs GTO -vertailu

Gate Turn-Off Thyristor (GTO) on toinen tyristoriperheen jäsen, ja sitä verrataan usein SCR:iin.

SCR:n testaus ohmimittarilla

Ennen kuin asennat SCR:n virtapiiriin, on tärkeää varmistaa, että se on sähköisesti terve. Viallinen SCR voi aiheuttaa oikosulkuja tai koko järjestelmän vian. Perustestaus voidaan tehdä käyttämällä digitaalista tai analogista yleismittaria sekä pientä tasavirtalähdettä todentamisen laukaisemiseksi.

1 Portin ja katodin välisen risteyksen testi

Nämä tarkistavat, käyttäytyykö portin risteys kuin diodi.

• Aseta yleismittari dioditestitilaan

• Liitä positiivinen (+) anturi porttiin (G) ja negatiivinen (–) anturi katodiin (K). Normaali lukema näyttää myötäjännitteen häviön välillä 0.5 V - 0.7 V

• Käännä anturit (+ K:ksi, – G:ksi). Mittarin tulee näyttää OL (avoin silmukka) tai erittäin korkea vastus

Anodin ja katodin estotesti

Tämä varmistaa, että SCR ei ole sisäisesti oikosulussa.

• Pidä yleismittari diodi- tai vastustilassa

• Liitä + anturi anodiin (A) ja – anturi katodiin (K). SCR:n tulee estää virta ja näyttää avoin piiri (ei johtumista)

• Käännä anturit (+ K:ksi, – A:ksi). Lukemisen pitäisi silti olla avointa

SCR-laukaisutesti (lukitus)

Tämä vahvistaa, voiko SCR kytkeytyä päälle ja lukkiutua kunnolla.

• Käytä sarjassa 6 V tai 9 V akkua, jossa on 1 kΩ vastus

• Liitä akku + anodiin (A) ja akku – katodiin (K)

• Liitä portti (G) hetkeksi anodiin 100–220 Ω vastuksen kautta. SCR:n tulee kytkeytyä päälle ja lukittua, jolloin virta pääsee kulkemaan myös hilaliitännän irrottamisen jälkeen.

• Sammuta se katkaisemalla virta – SCR lukittuu

Johtopäätös

Piiohjattu tasasuuntaaja on edelleen keskeinen komponentti tehonsäätöjärjestelmissä sen tehokkuuden, korkean luotettavuuden ja kyvyn käsitellä suuria sähkökuormia. Vaihtojännitteen säädöstä tasavirtamoottorin ohjaukseen ja teollisiin muunnosjärjestelmiin SCR:illä on edelleen tärkeä rooli sähkötekniikassa. SCR:n perusteiden vankka ymmärtäminen auttaa suunnittelemaan turvallisia ja tehokkaita tehoelektroniikkapiirejä.

Usein kysytyt kysymykset [FAQ]

Mitä eroa on SCR:n ja TRIAC:n välillä?

TRIAC voi johtaa virtaa molempiin suuntiin, ja sitä käytetään AC-ohjaussovelluksissa, kuten himmentimissä ja tuulettimen säätimissä. SCR johtaa virtaa vain yhteen suuntaan ja sitä käytetään pääasiassa DC-ohjaukseen tai tasasuuntaukseen.

Miksi SCR tarvitsee kommutointipiirin?

DC-piireissä SCR ei voi sammua pelkällä hilaliittimellä. Kommutointipiiri pakottaa virran putoamaan pitovirran alapuolelle, mikä auttaa SCR:ää sammumaan turvallisesti.

Mikä aiheuttaa SCR:n epäonnistumisen?

SCR-vika johtuu yleensä ylijännitteestä, suuresta ylijännitevirrasta, väärästä lämmönpoistosta tai dv/dt:n laukaisemasta väärästä kytkennästä. Vaimennuspiirien ja jäähdytyselementtien käyttö auttaa estämään vikoja.

Voiko SCR ohjata vaihtovirtaa?

Kyllä, SCR:t voivat ohjata vaihtovirtaa vaihekulman ohjauksella. Viivyttämällä porttisignaalin laukaisukulmaa jokaisen AC-jakson aikana voidaan säätää kuormalle toimitettua lähtöjännitettä ja tehoa.

Mikä on pitovirta SCR:ssä?

Pitovirta on vähimmäisvirta, joka tarvitaan SCR:n pitämiseen ON-tilassa. Jos virta laskee tämän tason alapuolelle, SCR sammuu automaattisesti, vaikka se olisi lauennut aiemmin.