Retificador controlado por silicone

Retificador Controlado de Silício (SCR)

O Retificador Controlado de Silício (SCR), também conhecido como tiristor, é um componente elétrico de alta potência. Tem as vantagens de tamanho pequeno, alta eficiência e longa vida útil. Em sistemas de controle automático, pode ser usado como driver de alta potência para controlar dispositivos de alta potência com controles de baixa potência. Tem sido amplamente utilizado em sistemas de controle de velocidade de motores CA e CC, sistemas de regulação de energia e sistemas servo.

Existem dois tipos de tiristor: tiristor unidirecional e tiristor bidirecional. Tiristor bidirecional, também conhecido como tiristor bidirecional de três terminais, abreviado como TRIAC. O tiristor bidirecional é estruturalmente equivalente a dois tiristores unidirecionais conectados ao contrário, e este tipo de tiristor tem função de condução bidirecional. Seu estado ligado/desligado é determinado pelo pólo de controle G. Adicionar um pulso positivo (ou negativo) ao pólo de controle G pode fazê-lo conduzir na direção direta (ou reversa). A vantagem deste dispositivo é que o circuito de controle é simples e não há problemas de resistência à tensão reversa, por isso é particularmente adequado para uso como uma chave CA sem contato.

1 estrutura SCR

Estamos usando tiristores unidirecionais, também conhecidos como tiristores comuns. Eles são compostos de quatro camadas de material semicondutor, com três junções PN e três eletrodos externos [Figura 2 (a)]: o eletrodo que sai da primeira camada do semicondutor tipo P é chamado de ânodo A, o eletrodo que sai do a terceira camada do semicondutor tipo P é chamada de eletrodo de controle G, e o eletrodo que sai da quarta camada do semicondutor tipo N é chamado de cátodo K. Do símbolo eletrônico do tiristor [Fig. 2 (b)], podemos ver que se trata de um dispositivo condutor unidirecional como o diodo. O segredo é adicionar um eletrodo de controle G, o que faz com que ele tenha características operacionais completamente diferentes do diodo.

O dispositivo P1N1P2N2 de quatro camadas e três terminais, baseado em cristal único de silício como material básico, começou em 1957. Devido às suas características semelhantes aos tiristores a vácuo, é comumente referido internacionalmente como tiristores de silício, abreviados como tiristores T. Além disso, porque os tiristores foram originalmente usados ​​​​na retificação estática, eles também são conhecidos como elementos retificadores controlados de silício, abreviados como tiristor SCR.

Em termos de desempenho, o retificador controlado de silício não apenas possui condutividade única, mas também possui controlabilidade mais valiosa do que os componentes do retificador de silício (comumente conhecidos como"silício morto"). Ele possui apenas dois estados: ligado e desligado.

O tiristor pode controlar equipamentos eletromecânicos de alta potência com corrente de nível de miliamperes. Se esta potência for excedida, a corrente média permitida diminuirá devido a um aumento significativo na perda de comutação dos componentes. Neste momento, a corrente nominal deve ser reduzida para uso.

Existem muitas vantagens do tiristor, como controlar alta potência com baixa potência, e o fator de amplificação de potência pode chegar a várias centenas de milhares de vezes; Resposta extremamente rápida, ligando e desligando em microssegundos; Nenhuma operação de contato, sem faíscas, sem ruído; Alta eficiência, baixo custo, etc.

Os tiristores são classificados principalmente em termos de aparência em formato de parafuso, formato de placa plana e formato de fundo plano.

Estrutura dos componentes do tiristor

Independentemente da aparência do tiristor, seu núcleo é uma estrutura P1N1P2N2 de quatro camadas composta de silício tipo P e silício tipo N. Veja a Figura 1. Possui três junções PN (J1, J2, J3), com ânodo A introduzido a partir da camada P1 da estrutura J1, cátodo K introduzido a partir da camada N2 e eletrodo de controle G introduzido a partir da camada P2. Portanto, é um dispositivo semicondutor de quatro camadas e três terminais.

2 princípio operacional

Elementos estruturais

O tiristor é um elemento estrutural P1N1P2N2 de quatro camadas e três terminais com três junções PN. Ao analisar o princípio, ele pode ser considerado composto por um transistor PNP e um transistor NPN, e seu diagrama equivalente é mostrado na figura à direita. Tiristor bidirecional: O tiristor bidirecional é um dispositivo retificador controlado por silício, também conhecido como TRIAC. Este dispositivo pode obter controle sem contato de energia CA em circuitos, controlando grandes correntes com pequenas correntes. Tem as vantagens de não produzir faíscas, ação rápida, longa vida útil, alta confiabilidade e estrutura de circuito simplificada. Pela aparência, o tiristor bidirecional é muito semelhante ao tiristor comum, com três eletrodos. No entanto, com exceção de um eletrodo G, que ainda é chamado de eletrodo de controle, os outros dois eletrodos geralmente não são mais chamados de ânodo e cátodo, mas coletivamente chamados de eletrodos principais Tl e T2. Seu símbolo também é diferente do dos tiristores comuns, que é desenhado invertendo a ligação de dois tiristores entre si, conforme mostra a Figura 2. Seu modelo geralmente é representado por"3CTS"ou"KS"na China; Os dados estrangeiros também podem ser representados por 'TRIAC'. As especificações, modelos, aparência e disposição dos pinos do eletrodo do tiristor bidirecional variam dependendo do fabricante, mas a maioria dos pinos do eletrodo são organizados da esquerda para a direita na ordem de T1, T2 e G (quando observados, os pinos do eletrodo são voltado para baixo e voltado para o lado marcado com caracteres). A aparência e a disposição dos pinos do eletrodo do tiristor bidirecional de estrutura encapsulada em plástico mais comum do mercado são mostradas na Figura 1.

3 características do SCR

Para compreender intuitivamente as características de funcionamento dos tiristores, vamos dar uma olhada neste quadro didático (Figura 3). O tiristor VS é conectado em série com a pequena lâmpada EL e conectado à fonte de alimentação DC através da chave S. Observe que o ânodo A está conectado ao pólo positivo da fonte de alimentação, o cátodo K está conectado ao pólo negativo da fonte de alimentação. alimentação, e o eletrodo de controle G é conectado ao pólo positivo da fonte de alimentação de 1,5V DC através do interruptor de botão SB (aqui são usados ​​tiristores do tipo KP1, e se forem usados ​​tiristores do tipo KP5, eles devem ser conectados ao pólo positivo do Fonte de alimentação de 3 Vcc). O método de conexão entre o tiristor e a fonte de alimentação é chamado de conexão direta, o que significa que a tensão positiva é aplicada ao ânodo e aos pólos de controle do tiristor. Ligue o interruptor S, mas a pequena lâmpada não acende, indicando que o tiristor não está conduzindo; Pressione o botão SB novamente para inserir uma tensão de disparo no pólo de controle. A pequena lâmpada acende, indicando que o tiristor está conduzindo. Que inspiração esta experiência de demonstração nos deu?

Este experimento nos diz que para tornar o tiristor condutivo, um deles deve aplicar uma tensão direta entre seu ânodo A e seu cátodo K, e o outro é inserir uma tensão de disparo direta entre seu eletrodo de controle G e seu cátodo K. Depois que o tiristor for girado ligado, solte o botão, remova a tensão de disparo e ainda mantenha o estado de condução.

4 características do SCR

Com um toque. No entanto, se uma tensão reversa for aplicada ao ânodo ou eletrodo de controle, o tiristor não poderá conduzir. A função do pólo de controle é ligar o tiristor aplicando um pulso de disparo direto, mas ele não pode ser desligado. Então, qual método pode ser usado para desligar o tiristor condutor? Ao desligar o tiristor condutor, a fonte de alimentação do ânodo (interruptor S na Figura 3) pode ser desconectada ou a corrente do ânodo pode ser reduzida ao valor mínimo necessário para manter a continuidade (referida como corrente de manutenção). Se houver uma tensão CA ou tensão CC pulsante aplicada entre o ânodo e o cátodo do tiristor, o tiristor desligará automaticamente quando a tensão cruzar zero.

tipo de aplicação

A Figura 4 mostra a curva característica do tiristor bidirecional.

Conforme mostrado na figura, a curva característica do tiristor bidirecional é composta por curvas dentro do primeiro e terceiro quadrantes. A curva no primeiro quadrante indica que quando a tensão aplicada ao eletrodo principal faz com que Tc tenha polaridade positiva em direção a T1, ela é chamada de tensão direta e representada pelo símbolo U21. Quando esta tensão aumenta gradualmente até a tensão de ponto de viragem UBO, o tiristor no lado esquerdo da Figura 3 (b) desencadeia a condução, e a corrente do estado ligado neste momento é I21, fluindo de T2 para Tl. Pela figura pode-se observar que quanto maior a corrente de disparo, menor será a tensão de giro. Esta situação é consistente com a lei de condução de disparo do tiristor comum. Quando a tensão aplicada ao eletrodo principal faz com que Tl tenha uma polaridade positiva em relação a T2, ela é chamada de tensão reversa e é representada pelo símbolo U12. Quando esta tensão atinge o valor da tensão de ponto de viragem, o tiristor do lado direito da Figura 3 (b) aciona a condução, e a corrente neste momento é I12, com direção de T1 a T2. Neste ponto, a curva característica do tiristor bidirecional é mostrada no terceiro quadrante da Figura 4.

Quatro métodos de disparo

Devido ao fato de que no eletrodo principal do tiristor bidirecional ele pode ser acionado e conduzido independentemente de uma tensão direta ou reversa ser aplicada, e se o sinal de disparo é direto ou reverso, ele possui os quatro métodos de disparo a seguir: ( 1) Quando a tensão aplicada pelo eletrodo principal T2 a Tl é uma tensão direta, a tensão aplicada pelo eletrodo de controle G ao primeiro eletrodo Tl também é um sinal de disparo direto (Figura 5a). Depois que o tiristor bidirecional aciona a condução, a direção da corrente I2l flui de T2 para T1. Pela curva característica, pode-se observar que a lei de condução do disparo tiristor bidirecional é realizada de acordo com as características do segundo quadrante, e como o sinal de disparo está na direção direta, esse disparo é denominado"gatilho direto do primeiro quadrante"ou o método I+trigger. (2) Se a tensão direta ainda for aplicada ao eletrodo principal T2 e o sinal de disparo for alterado para um sinal reverso (Figura 5b), então, após o tiristor bidirecional disparar a condução, a direção da corrente do estado ligado ainda será de T2 para T1. Chamamos esse gatilho de"gatilho negativo do primeiro quadrante"ou o método I-trigger. (3) Dois eletrodos principais são aplicados com uma tensão reversa U12 (Figura 5c) e um sinal de disparo direto é inserido. Depois que o tiristor bidirecional é ligado, a corrente do estado ligado flui de T1 para T2. O tiristor bidirecional opera de acordo com a curva característica do terceiro quadrante, portanto esse disparo é chamado de método III+trigger. (4) Os dois eletrodos principais ainda aplicam tensão reversa U12, e a entrada é um sinal de disparo reverso (Figura 5d). Depois que o tiristor bidirecional é ligado, a corrente do estado ligado ainda flui de T1 para T2. Este gatilho é chamado de III toque

(4) Os dois eletrodos principais ainda aplicam tensão reversa U12, e a entrada é um sinal de disparo reverso (Figura 5d). Depois que o tiristor bidirecional é ligado, a corrente do estado ligado ainda flui de T1 para T2. Esse gatilho é chamado de método de gatilho III. Embora o tiristor bidirecional tenha os quatro métodos de disparo acima, a tensão e a corrente de disparo necessárias para o disparo do sinal negativo são relativamente pequenas. O trabalho é relativamente confiável, portanto, os métodos de disparo negativo são amplamente utilizados na prática.

5 Objetivo

O uso mais básico dos tiristores comuns é a retificação controlável. O familiar circuito retificador de diodo pertence a um circuito retificador incontrolável. Se o diodo for substituído por um tiristor, um circuito retificador controlável pode ser formado. Tomando como exemplo o circuito retificador controlável de meia onda monofásico mais simples, durante o meio ciclo positivo da tensão CA senoidal U2, se o pólo de controle do VS não receber o pulso de disparo Ug, o VS ainda não poderá conduzir. Somente quando U2 está no meio ciclo positivo e o pulso de disparo Ug é aplicado ao pólo de controle, o tiristor é acionado para conduzir. Desenhe suas formas de onda (c) e (d), e somente quando o pulso de disparo Ug chegar, haverá saída de tensão UL na carga RL. Ug chega cedo e o tempo de condução do tiristor é adiantado; Ug chegou atrasado e o tempo de condução do tiristor foi posterior. Alterando o tempo em que o pulso de disparo Ug chega ao pólo de controle, a tensão média de saída UL na carga pode ser ajustada. Na tecnologia elétrica, o meio ciclo da corrente alternada é frequentemente definido em 180°, conhecido como ângulo elétrico. Desta forma, o ângulo elétrico experimentado durante cada meio ciclo positivo de U2, de zero até o momento em que o pulso de disparo chega, é chamado de ângulo de controle α; O ângulo elétrico no qual o tiristor conduz dentro de cada meio ciclo positivo é chamado de ângulo de condução θ. 。 Obviamente, α e θ Ambos são usados ​​para representar a faixa de condução ou bloqueio dos tiristores durante meio ciclo de resistência à tensão direta. Ao alterar o ângulo de controle α ou o ângulo de condução θ, ao alterar o valor médio UL da tensão CC de pulso na carga, a retificação controlável é alcançada.

1: O retificador controlado de silício bidirecional encapsulado em plástico de baixa potência é comumente usado como um sistema de iluminação acústica-óptica. Corrente nominal: IA é inferior a 2A.

2: Grande; Tiristores selados em plástico e selados em ferro de média potência são comumente usados ​​como circuitos reguladores de tensão controláveis ​​do tipo potência. Como fonte de alimentação CC com saída de tensão ajustável, etc.

3: O tiristor de alta frequência e alta potência é comumente usado na indústria; Forno de fusão de alta frequência, etc.