Prostownik sterowany krzemem (SCR) – działanie, budowa, metody wyzwalania, rodzaje i zastosowania

Prostownik sterowany krzemem (SCR) jest kluczowym półprzewodnikowym urządzeniem mocy, szeroko stosowanym do sterowania wysokim napięciem i prądem w systemach elektrycznych i przemysłowych. Jego zdolność do efektywnego przełączania i regulacji mocy sprawia, że jest przydatny w przetwornicach, napędach silnikowych i obwodach automatyki. Ten artykuł w przejrzysty i uporządkowany sposób wyjaśnia budowę, zasadę działania, charakterystykę, typy i praktyczne zastosowania SCR.

Klasa C1. Co to jest prostownik sterowany krzemem (SCR)?

Klasa C2. Budowa i symbol SCR

Klasa C3. Działanie SCR

Klasa C4. V-I Charakterystyka SCR

Klasa C5. Charakterystyka przełączania SCR

Klasa C6. Rodzaje SCR

Klasa C7. Metody włączania SCR

Klasa C8. Zalety i ograniczenia SCR

Klasa C9. Zastosowania SCR

Klasa C10. Porównanie SCR i GTO

Klasa C11. Testowanie SCR za pomocą omomierza

Klasa C12. Konkluzja

Klasa C13. Często zadawane pytania [FAQ]

Co to jest prostownik sterowany krzemem (SCR)?

Prostownik sterowany krzemem (SCR) to trójzaciskowe urządzenie półprzewodnikowe służące do sterowania i przełączania wysokiego napięcia i prądu w obwodach elektrycznych. Należy do rodziny tyrystorów i ma czterowarstwową strukturę PNPN. W przeciwieństwie do zwykłej diody, SCR umożliwia kontrolowane przełączanie, ponieważ włącza się tylko wtedy, gdy zastosowany jest sygnał wyzwalający bramkę. Jest szeroko stosowany w przetwornicach AC/DC, napędach silnikowych, ładowarkach akumulatorów i automatyce przemysłowej ze względu na wysoką zdolność przenoszenia mocy i wydajność.

Budowa i symbol SCR

Prostownik sterowany krzemem (SCR) jest zbudowany z czterech naprzemiennych warstw materiałów półprzewodnikowych typu P i N, tworzących strukturę PNPN z trzema złączami: J1, J2 i J3. Posiada trzy terminale:

• Anoda (A): Połączona z zewnętrzną warstwą P

• Katoda (K): Połączona z zewnętrzną warstwą N

• Bramka (G): Połączona z wewnętrzną warstwą P i używana do wyzwalania

Międzyplatformowo SCR można modelować jako dwa połączone ze sobą tranzystory - jeden PNP i jeden NPN - tworzące regeneracyjną pętlę sprzężenia zwrotnego. Ta wewnętrzna struktura wyjaśnia zachowanie zatrzaskowe SCR, w którym kontynuuje on przewodzenie nawet po usunięciu sygnału bramki.

Symbol SCR przypomina diodę, ale zawiera zacisk bramki do sterowania. Prąd przepływa z anody do katody, gdy urządzenie jest wyzwalane przez bramkę.

Działanie SCR

SCR działa w trzech stanach elektrycznych w oparciu o napięcie anoda-katoda i sygnał bramki:

Tryb odwrotnego blokowania

Gdy anoda jest ujemna w stosunku do katody, złącza J1 i J3 są spolaryzowane wstecznie. Płynie tylko niewielki prąd upływowy. Przekroczenie limitu napięcia wstecznego może spowodować uszkodzenie urządzenia.

Tryb blokowania do przodu (stan OFF)

W przypadku anody dodatniej i katody ujemnej, złącza J1 i J3 są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, podczas gdy J2 jest spolaryzowane w kierunku wstecznym. SCR pozostaje wyłączony w tym stanie, nawet po przyłożeniu napięcia przewodzenia, zapobiegając przepływowi prądu do momentu zapewnienia wyzwalacza.

Tryb przewodzenia do przodu (stan ON)

Zastosowanie impulsu bramki w polaryzacji przewodzenia wstrzykuje nośniki, które złącze J2 polaryzacji przewodzenia, umożliwiając przewodzenie. Po włączeniu SCR zatrzaskuje się i kontynuuje przewodzenie nawet po usunięciu sygnału bramki, o ile prąd pozostaje powyżej prądu podtrzymującego.

Charakterystyka V-I SCR

Charakterystyka V-I określa, w jaki sposób prąd urządzenia reaguje na przyłożone napięcie w różnych obszarach pracy:

• Odwrotny obszar blokowania: Minimalny prąd przepływa pod odwrotnym odchyleniem, aż do wystąpienia awarii.

• Obszar blokowania przewodzenia: Napięcie przewodzenia wzrasta, ale prąd pozostaje niski, aż do osiągnięcia napięcia przewodzenia (VBO).

• Obszar przewodzenia w kierunku przewodzenia: Po wyzwoleniu impulsem bramki, SCR szybko przechodzi w stan włączenia o niskiej rezystancji z niewielkim spadkiem napięcia przewodzenia (1–2 V).

Zwiększenie prądu bramki powoduje obniżenie napięcia przewodzenia w kierunku przewodzenia, co pozwala na wcześniejsze włączenie. Jest to przydatne w obwodach prądu przemiennego sterowanych fazą.

Charakterystyka przełączania SCR

Charakterystyka przełączania opisuje zachowanie SCR podczas przejść między stanami OFF i ON:

• Czas włączenia (tony): Czas potrzebny do pełnego przełączenia SCR z OFF na ON po impulsie bramki. Składa się z czasu opóźnienia, czasu narastania i czasu rozprzestrzeniania się. Szybsze włączanie zapewnia wydajne przełączanie w przekształtnikach i falownikach.

• Czas wyłączenia (tq): Po ustaniu przewodzenia SCR potrzebuje czasu, aby odzyskać zdolność blokowania do przodu ze względu na zmagazynowane nośniki ładunku. To opóźnienie jest wymagane w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości, a w systemach prądu stałego wymagane są zewnętrzne obwody koutacyjne.

Rodzaje SCR

SCR są dostępne w różnych stylach konstrukcyjnych i klasach wydajności, aby spełnić wymagania różnych zastosowań związanych z napięciem, prądem i przełączaniem. Poniżej przedstawiono główne typy SCR wyjaśnione bez użycia formatu tabeli, zgodnie z żądaniem.

Dyskretny plastikowy SCR

Jest to mały SCR o małej mocy, zwykle pakowany w obudowy TO-92, TO-126 lub TO-220. Jest ekonomiczny i powszechnie stosowany w niskoprądowych układach elektronicznych. Te SCR są idealne do prostego przełączania prądu przemiennego, systemów sterowania o niskim poborze mocy, ściemniaczy światła i obwodów ładowarki akumulatorów.

Moduł z tworzywa sztucznego SCR

Ten typ jest przeznaczony do obsługi średnich i wysokich prądów. Jest zamknięty w kompaktowym module z tworzywa sztucznego, który zapewnia izolację elektryczną i łatwy montaż. Te SCR są szeroko stosowane w systemach UPS, przemysłowych jednostkach sterujących zasilaniem, spawarkach i regulatorach prędkości silników.

Pakiet prasowy SCR

TSCR z pakietem prasowym to wytrzymałe urządzenia zbudowane w solidnej metalowej obudowie przypominającej dysk. Oferują doskonałe parametry termiczne i wysoką zdolność prądową oraz nie wymagają. Zamiast tego są one mocowane między radiatorami pod ciśnieniem, dzięki czemu nadają się do zastosowań o wysokiej niezawodności, takich jak napędy przemysłowe, systemy trakcyjne, przesył energii HVDC i sieci energetyczne.

Szybkie przełączanie SCR

Szybko przełączające się SCR, zwane również SCR klasy inwerterowej, są przeznaczone do obwodów działających przy wyższych częstotliwościach. Charakteryzują się krótkim czasem wyłączania i zmniejszonymi stratami przełączania w porównaniu ze standardowymi SCR. Urządzenia te są powszechnie stosowane w rozdrabniaczach, przetwornicach DC-DC, falownikach wysokiej częstotliwości i zasilaczach impulsowych.

Metody włączania SCR

Różne sposoby na wywołanie przewodzenia SCR obejmują:

Wyzwalanie bramki (najczęściej): Impuls bramki o małej mocy włącza SCR w kontrolowany sposób. Używany w większości zastosowań przemysłowych.

Wyzwalanie napięcia przewodzenia: Jeśli napięcie przewodzenia przekroczy napięcie przebicia, SCR włącza się bez impulsu bramki, czego zwykle unika się z powodu obciążenia urządzenia.

Wyzwalanie termiczne (niepożądane): Nadmierna temperatura może przypadkowo rozpocząć przewodzenie; Należy unikać niewłaściwego chłodzenia.

Wyzwalanie światła (LASCR): Światłoczułe SCR wykorzystują fotony do wyzwalania przewodzenia w zastosowaniach izolacji wysokiego napięcia.

Wyzwalanie dv / dt (niechciane): Szybki wzrost napięcia przewodzenia może spowodować przypadkowe włączenie z powodu pojemności złącza. Obwody tłumiące zapobiegają temu.

Zalety i ograniczenia SCR

Zalety SCR

• Przenoszenie dużej mocy i napięcia: SCR są w stanie kontrolować duże ilości energii, często w zakresie od setek do tysięcy woltów i amperów, dzięki czemu nadają się do ciężkich zastosowań przemysłowych, takich jak napędy silnikowe, transmisje HVDC i przetwornice mocy.

• Wysoka wydajność i niskie straty przewodzenia: Po włączeniu SCR przewodzi z bardzo małym spadkiem napięcia (zwykle 1–2 V), co skutkuje niskim rozpraszaniem mocy i wysoką wydajnością działania.

• Małe zapotrzebowanie na prąd bramki: Urządzenie potrzebuje tylko niewielkiego prądu wyzwalającego na zacisku bramki, aby się włączyć, co pozwala prostym obwodom sterującym o małej mocy przełączać obciążenia o dużej mocy.

• Wytrzymała konstrukcja i ekonomiczna konstrukcja: SCR są wytrzymałe mechanicznie, stabilne termicznie i zaprojektowane tak, aby wytrzymać wysokie prądy udarowe. Ich prosta struktura wewnętrzna sprawia również, że są stosunkowo niedrogie w porównaniu z innymi półprzewodnikowymi przełącznikami mocy.

• Nadaje się do sterowania zasilaniem prądem przemiennym: Ponieważ SCR naturalnie wyłączają się, gdy prąd przemienny przekracza zero (naturalna komutacja), są idealne do zastosowań związanych z kontrolą fazy prądu przemiennego, takich jak ściemniacze światła, sterowniki grzałek i regulatory napięcia AC.

Ograniczenia SCR

• Przewodzenie jednokierunkowe: SCR przewodzi prąd tylko w kierunku przewodzenia. Nie może skutecznie blokować prądu wstecznego, chyba że jest używany z dodatkowymi komponentami, takimi jak diody, co ogranicza jego zastosowanie w niektórych obwodach sterujących prądem przemiennym.

• Nie można go wyłączyć za pomocą terminala bramy: Chociaż SCR może być wyzwalany przez bramkę, nie reaguje na żaden sygnał bramki do wyłączenia. Prąd musi spaść poniżej prądu podtrzymującego lub w obwodach prądu stałego musi być stosowana technika wymuszonej komutacji.

• Wymaga obwodów komutacji w zastosowaniach prądu stałego: W obwodach prądu stałego SCR nie uzyskuje naturalnego punktu zerowego prądu do wyłączenia. Potrzebne są zewnętrzne obwody koutacyjne, co zwiększa złożoność obwodu i koszty.

• Ograniczona prędkość przełączania: SCR są stosunkowo wolne w porównaniu z nowoczesnymi przełącznikami półprzewodnikowymi, takimi jak tranzystory MOSFET lub IGBT. To sprawia, że nie nadają się do zastosowań przełączających o wysokiej częstotliwości.

• Wrażliwy na warunki wysokiego napięcia/dt i przepięcia: Szybki wzrost napięcia na SCR lub nadmierne napięcie przejściowe może wywołać fałszywe włączenie, wpływając na niezawodność. Wymagane są obwody tłumiące i odpowiednie elementy ochronne, aby zapobiec przerwom w zapłonie i awariom urządzenia.

Zastosowania SCR

• Prostowniki sterowane (przetwornice AC na DC) – stosowane do ładowania akumulatorów i zmiennych zasilaczy DC.

• Kontrolery napięcia AC – ściemniacze światła, regulatory prędkości wentylatorów i regulatory grzałki.

• Regulacja prędkości silnika prądu stałego – stosowana w napędach prądu stałego o zmiennej prędkości.

• Falowniki i przetwornice – do konwersji prądu stałego na prąd przemienny.

• Ochrona przeciwprzepięciowa (obwody łomu) – Chroni zasilacze przed skokami napięcia.

• Przełączniki statyczne / przekaźniki półprzewodnikowe – szybkie przełączanie bez zużycia mechanicznego.

• Regulatory mocy – Stosowane w nagrzewaniach indukcyjnych i piecach przemysłowych.

• Łagodne rozruszniki do silników – Kontrolują prąd rozruchowy podczas rozruchu silnika.

• Układy przesyłowe – stosowane w systemach HVDC (High Voltage Fixed Current).

Porównanie SCR i GTO

Tyrystor z wyłączeniem bramki (GTO) jest kolejnym członkiem rodziny tyrystorów i jest często porównywany z SCR.

Testowanie SCR za pomocą omomierza

Przed zainstalowaniem SCR w obwodzie zasilania ważne jest, aby sprawdzić, czy jest on sprawny elektrycznie. Wadliwy SCR może spowodować zwarcia lub awarię całego systemu. Podstawowe testowanie można wykonać za pomocą multimetru cyfrowego lub analogowego wraz z małym zasilaniem prądem stałym do wyzwalania weryfikacji.

1 Test złącza brama-katoda

Sprawdza one, czy złącze bramki zachowuje się jak dioda.

• Ustaw multimetr w trybie testu diody

• Podłącz sondę dodatnią (+) do bramki (G) i sondę ujemną (–) do katody (K). Normalny odczyt pokazuje spadek napięcia przewodzenia między 0,5 V a 0,7 V

• Odwróć sondy (+ do K, – do G). Miernik powinien pokazywać OL (otwarta pętla) lub bardzo wysoką rezystancję

Test blokowania anody na katodę

Dzięki temu SCR nie jest wewnętrznie zwarty.

• Utrzymuj multimetr w trybie diodowym lub rezystancyjnym

• Podłącz + sondę do anody (A) i – sondę do katody (K). SCR powinien blokować prąd i pokazywać otwarty obwód (brak przewodzenia)

• Odwróć sondy (+ do K, – do A). Odczyt powinien nadal odbywać się w obwodzie otwartym

Test wyzwalania (zatrzaskiwania) SCR

Potwierdza to, czy SCR może się prawidłowo włączyć i zatrzasnąć.

• Użyj szeregowo akumulatora 6 V lub 9 V z rezystorem 1 kΩ

• Podłącz akumulator + do anody (A) i akumulator – do katody (K)

• Krótko podłącz bramkę (G) do anody przez rezystor 100–220 Ω. SCR powinien włączać się i zatrzaskiwać, umożliwiając przepływ prądu nawet po odłączeniu połączenia bramki.

• Aby go wyłączyć, odłącz zasilanie — SCR odblokuje się

Wnioski

Prostownik sterowany krzemem pozostaje kluczowym elementem w systemach sterowania mocą ze względu na swoją wydajność, wysoką niezawodność i zdolność do obsługi dużych obciążeń elektrycznych. Od regulacji napięcia prądu przemiennego po sterowanie silnikami prądu stałego i przemysłowe systemy konwersji, SCR nadal odgrywają istotną rolę w elektrotechnice. Solidne zrozumienie podstaw SCR pomaga w projektowaniu bezpiecznych i wydajnych obwodów energoelektronicznych.

Często zadawane pytania [FAQ]

Jaka jest różnica między SCR a TRIAC?

TRIAC może przewodzić prąd w obu kierunkach i jest używany w aplikacjach sterowania prądem przemiennym, takich jak ściemniacze i regulatory wentylatorów. SCR przewodzi prąd tylko w jednym kierunku i jest używany głównie do sterowania lub prostowania prądem stałym.

Dlaczego SCR potrzebuje obwodu komutacyjnego?

W obwodach prądu stałego SCR nie może się wyłączyć za pomocą samego zacisku bramy. Obwód komutacyjny wymusza spadek prądu poniżej prądu podtrzymującego, pomagając w bezpiecznym wyłączeniu SCR.

Co powoduje awarię SCR?

Awaria SCR jest zwykle spowodowana przepięciem, wysokim prądem udarowym, niewłaściwym odprowadzaniem ciepła lub fałszywym przełączaniem wywołanym przez dv/dt. Korzystanie z obwodów tłumiących i radiatorów pomaga zapobiegać awariom.

Czy SCR może sterować zasilaniem prądem zmiennym?

Tak, SCR mogą sterować zasilaniem prądem zmiennym za pomocą sterowania kątem fazowym. Opóźniając kąt zapłonu sygnału bramki podczas każdego cyklu prądu przemiennego, można regulować napięcie wyjściowe i moc dostarczaną do obciążenia.

Jaki jest prąd podtrzymania w SCR?

Prąd podtrzymania to minimalny prąd wymagany do utrzymania SCR w stanie WŁĄCZONYM. Jeśli prąd spadnie poniżej tego poziomu, SCR automatycznie się wyłączy, nawet jeśli został wcześniej wyzwolony.