Rectificador controlado por silicio

Rectificador controlado por silicio (SCR)

El rectificador controlado por silicio (SCR), también conocido como tiristor, es un componente eléctrico de alta potencia. Tiene las ventajas de tamaño pequeño, alta eficiencia y larga vida útil. En sistemas de control automático, se puede utilizar como controlador de alta potencia para controlar dispositivos de alta potencia con controles de baja potencia. Ha sido ampliamente utilizado en sistemas de control de velocidad de motores de CA y CC, sistemas de regulación de potencia y servosistemas.

Hay dos tipos de tiristores: tiristor unidireccional y tiristor bidireccional. Tiristor bidireccional, también conocido como tiristor bidireccional de tres terminales, abreviado como TRIAC. El tiristor bidireccional es estructuralmente equivalente a dos tiristores unidireccionales conectados al revés, y este tipo de tiristor tiene función de conducción bidireccional. Su estado de encendido/apagado está determinado por el polo de control G. Agregar un pulso positivo (o negativo) al polo de control G puede hacer que conduzca en dirección directa (o inversa). La ventaja de este dispositivo es que el circuito de control es simple y no hay problema de resistencia a la tensión inversa, por lo que es particularmente adecuado para su uso como interruptor de CA sin contacto.

1 estructura SCR

Utilizamos tiristores unidireccionales, también conocidos como tiristores ordinarios. Están compuestos por cuatro capas de material semiconductor, con tres uniones PN y tres electrodos externos [Figura 2 (a)]: el electrodo que sale de la primera capa de semiconductor tipo P se llama ánodo A, el electrodo que sale de la La tercera capa del semiconductor tipo P se llama electrodo de control G, y el electrodo que sale de la cuarta capa del semiconductor tipo N se llama cátodo K. Del símbolo electrónico del tiristor [Fig. 2 (b)], podemos ver que es un dispositivo conductor unidireccional como el diodo. La clave es agregar un electrodo de control G, lo que hace que tenga características operativas completamente diferentes a las del diodo.

El dispositivo terminal de cuatro capas y tres capas P1N1P2N2, basado en un solo cristal de silicio como material básico, comenzó en 1957. Debido a sus características similares a los tiristores de vacío, se lo conoce comúnmente internacionalmente como tiristores de silicio, abreviados como tiristores T. Además, porque los tiristores Se utilizaron originalmente en rectificación estática, también se conocen como elementos rectificadores controlados por silicio, abreviados como tiristor SCR.

En términos de rendimiento, el rectificador controlado por silicio no solo tiene una conductividad única, sino que también tiene una capacidad de control más valiosa que los componentes del rectificador de silicio (comúnmente conocidos como"silicio muerto"). Sólo tiene dos estados: encendido y apagado.

El tiristor puede controlar equipos electromecánicos de alta potencia con corriente de nivel de miliamperios. Si se excede esta potencia, la corriente promedio permitida disminuirá debido a un aumento significativo en la pérdida de conmutación de los componentes. En este momento, la corriente nominal debe reducirse para su uso.

Los tiristores tienen muchas ventajas, como controlar alta potencia con baja potencia, y el factor de amplificación de potencia puede alcanzar varios cientos de miles de veces; Respuesta extremadamente rápida, encendiéndose y apagándose en microsegundos; Sin operación de contacto, sin chispas, sin ruido; Alta eficiencia, bajo costo, etc.

Los tiristores se clasifican principalmente en términos de apariencia en forma de perno, forma de placa plana y forma de fondo plano.

Estructura de los componentes del tiristor.

Independientemente de la apariencia del tiristor, su núcleo es una estructura P1N1P2N2 de cuatro capas compuesta de silicio tipo P y silicio tipo N. Consulte la Figura 1. Tiene tres uniones PN (J1, J2, J3), con el ánodo A introducido desde la capa P1 de la estructura J1, el cátodo K introducido desde la capa N2 y el electrodo de control G introducido desde la capa P2. Por tanto, es un dispositivo semiconductor de cuatro capas y tres terminales.

2 principio operativo

Elementos estructurales

El tiristor es un elemento estructural P1N1P2N2 de cuatro capas y tres terminales con tres uniones PN. Al analizar el principio, se puede considerar que está compuesto por un transistor PNP y un transistor NPN, y su diagrama equivalente se muestra en la figura de la derecha. Tiristor bidireccional: el tiristor bidireccional es un dispositivo rectificador controlado por silicio, también conocido como TRIAC. Este dispositivo puede lograr el control sin contacto de la alimentación de CA en circuitos, controlando grandes corrientes con pequeñas corrientes. Tiene las ventajas de no generar chispas, acción rápida, larga vida útil, alta confiabilidad y estructura de circuito simplificada. Desde su apariencia, el tiristor bidireccional es muy similar al tiristor ordinario, con tres electrodos. Sin embargo, a excepción de un electrodo G, que todavía se denomina electrodo de control, los otros dos electrodos ya no se denominan ánodo y cátodo, sino que se denominan colectivamente electrodos principales T1 y T2. Su símbolo también es diferente del de los tiristores ordinarios, que se dibuja invirtiendo la conexión de dos tiristores entre sí, como se muestra en la Figura 2. Su modelo generalmente está representado por"3CT"o"Kansas"en China; Los datos extranjeros también pueden representarse mediante 'TRIAC'. Las especificaciones, modelos, apariencia y disposición de las clavijas de los electrodos del tiristor bidireccional varían según el fabricante, pero la mayoría de las clavijas de los electrodos están dispuestas de izquierda a derecha en el orden de T1, T2 y G (cuando se observan, las clavijas de los electrodos están hacia abajo y hacia el lado marcado con caracteres). En la Figura 1 se muestra la apariencia y la disposición de las clavijas de los electrodos del tiristor bidireccional de estructura encapsulada de plástico más común en el mercado.

3 características del SCR

Para comprender intuitivamente las características de funcionamiento de los tiristores, echemos un vistazo a este panel didáctico (Figura 3). El tiristor VS está conectado en serie con la pequeña bombilla EL y conectado a la fuente de alimentación de CC a través del interruptor S. Tenga en cuenta que el ánodo A está conectado al polo positivo de la fuente de alimentación, el cátodo K está conectado al polo negativo de la fuente de alimentación. suministro, y el electrodo de control G está conectado al polo positivo de la fuente de alimentación de 1,5 V CC a través del interruptor de botón SB (aquí, se usan tiristores tipo KP1, y si se usan tiristores tipo KP5, deben conectarse al polo positivo del Fuente de alimentación de 3 V CC). El método de conexión entre el tiristor y la fuente de alimentación se llama conexión directa, lo que significa que el voltaje positivo se aplica tanto al ánodo como al polo de control del tiristor. Encienda el interruptor de encendido S, pero la pequeña bombilla no se enciende, lo que indica que el tiristor no conduce; Presione el interruptor de botón SB nuevamente para ingresar un voltaje de activación al poste de control. La pequeña bombilla se enciende, indicando que el tiristor está conduciendo. ¿Qué inspiración nos dio este experimento de demostración?

Este experimento nos dice que para hacer que el tiristor sea conductor, uno debe aplicar un voltaje directo entre su ánodo A y su cátodo K, y el otro es ingresar un voltaje de disparo directo entre su electrodo de control G y su cátodo K. Después de girar el tiristor Encendido, suelte el interruptor del botón, elimine el voltaje de activación y aún mantenga el estado de conducción.

4 Características del SCR

A un toque. Sin embargo, si se aplica un voltaje inverso al ánodo o al electrodo de control, el tiristor no puede conducir. La función del polo de control es encender el tiristor aplicando un pulso de disparo directo, pero no se puede apagar. Entonces, ¿qué método se puede utilizar para apagar el tiristor conductor? Al apagar el tiristor conductor, se puede desconectar la fuente de alimentación del ánodo (interruptor S en la Figura 3) o se puede reducir la corriente del ánodo al valor mínimo requerido para mantener la continuidad (denominado corriente de mantenimiento). Si se aplica un voltaje de CA o un voltaje de CC pulsante entre el ánodo y el cátodo del tiristor, el tiristor se apagará automáticamente cuando el voltaje cruce cero.

tipo de aplicacion

La figura 4 muestra la curva característica del tiristor bidireccional.

Como se muestra en la figura, la curva característica del tiristor bidireccional se compone de curvas dentro del primer y tercer cuadrante. La curva en el primer cuadrante indica que cuando el voltaje aplicado al electrodo principal hace que Tc tenga una polaridad positiva hacia T1, se llama voltaje directo y se representa con el símbolo U21. Cuando este voltaje aumenta gradualmente hasta el voltaje del punto de inflexión UBO, el tiristor en el lado izquierdo de la Figura 3 (b) desencadena la conducción, y la corriente en estado encendido en este momento es I21, que fluye de T2 a Tl. En la figura se puede ver que cuanto mayor es la corriente de activación, menor es el voltaje de giro. Esta situación es consistente con la ley de conducción de activación del tiristor ordinario. Cuando el voltaje aplicado al electrodo principal hace que Tl tenga polaridad positiva hacia T2, se le llama voltaje inverso y se representa con el símbolo U12. Cuando este voltaje alcanza el valor de voltaje del punto de inflexión, el tiristor en el lado derecho de la Figura 3 (b) activa la conducción, y la corriente en este momento es I12, con una dirección de T1 a T2. En este punto, la curva característica del tiristor bidireccional se muestra en el tercer cuadrante de la Figura 4.

Cuatro métodos de activación

Debido al hecho de que en el electrodo principal del tiristor bidireccional, se puede activar y conducir independientemente de si se aplica un voltaje directo o inverso, y si la señal de disparo es directa o inversa, tiene los siguientes cuatro métodos de disparo: ( 1) Cuando el voltaje aplicado por el electrodo principal T2 a Tl es un voltaje directo, el voltaje aplicado por el electrodo de control G al primer electrodo Tl también es una señal de disparo directo (Figura 5a). Después de que el tiristor bidireccional activa la conducción, la dirección de la corriente I2l fluye de T2 a T1. De la curva característica, se puede ver que la ley de conducción del disparador del tiristor bidireccional se lleva a cabo de acuerdo con las características del segundo cuadrante, y debido a que la señal del disparador está en dirección directa, este disparador se llama"gatillo delantero del primer cuadrante"o el método I+trigger. (2) Si el voltaje directo todavía se aplica al electrodo principal T2 y la señal de disparo se cambia a una señal inversa (Figura 5b), luego de que el tiristor bidireccional activa la conducción, la dirección de la corriente del estado encendido sigue siendo de T2 a T1. A este desencadenante lo llamamos"disparador negativo del primer cuadrante"o el método I-trigger. (3) Se aplican dos electrodos principales con un voltaje inverso U12 (Figura 5c) y se ingresa una señal de disparo directo. Después de encender el tiristor bidireccional, la corriente del estado encendido fluye de T1 a T2. El tiristor bidireccional funciona según la curva característica del tercer cuadrante, por lo que este disparador se denomina método de disparo III+. (4) Los dos electrodos principales todavía aplican voltaje inverso U12 y la entrada es una señal de disparo inverso (Figura 5d). Después de encender el tiristor bidireccional, la corriente del estado encendido aún fluye de T1 a T2. Este disparador se llama III toque.

(4) Los dos electrodos principales todavía aplican voltaje inverso U12 y la entrada es una señal de disparo inverso (Figura 5d). Después de encender el tiristor bidireccional, la corriente del estado encendido aún fluye de T1 a T2. Este desencadenante se denomina método desencadenante III. Aunque el tiristor bidireccional tiene los cuatro métodos de activación anteriores, el voltaje y la corriente de activación necesarios para la activación de la señal negativa son relativamente pequeños. El trabajo es relativamente fiable, por lo que los métodos de activación negativa se utilizan ampliamente en la práctica.

5 Propósito

El uso más básico de los tiristores ordinarios es la rectificación controlable. El conocido circuito rectificador de diodos pertenece a un circuito rectificador incontrolable. Si el diodo se reemplaza por un tiristor, se puede formar un circuito rectificador controlable. Tomando como ejemplo el circuito rectificador controlable de media onda monofásico más simple, durante el semiciclo positivo del voltaje CA sinusoidal U2, si el polo de control de VS no ingresa el pulso de disparo Ug, VS aún no puede conducir. Sólo cuando U2 está en el semiciclo positivo y el pulso de disparo Ug se aplica al polo de control, el tiristor se activa para conducir. Dibuje sus formas de onda (c) y (d), y solo cuando llegue el pulso de disparo Ug, habrá salida de voltaje UL en la carga RL. Ug llega temprano y el tiempo de conducción del tiristor es temprano; Ug llegó tarde y el tiempo de conducción del tiristor fue más tarde. Al cambiar el momento en que el pulso de disparo Ug llega al polo de control, se puede ajustar el voltaje de salida promedio UL en la carga. En tecnología eléctrica, el semiciclo de la corriente alterna suele fijarse en 180°, lo que se conoce como ángulo eléctrico. De esta manera, el ángulo eléctrico experimentado durante cada semiciclo positivo de U2 desde cero hasta el momento en que llega el pulso de disparo se denomina ángulo de control α; el ángulo eléctrico en el que el tiristor conduce dentro de cada semiciclo positivo se denomina ángulo de conducción θ. 。 Obviamente, α y θ Ambos se utilizan para representar el rango de conducción o bloqueo de los tiristores durante medio ciclo de tensión directa soportada. Al cambiar el ángulo de control α o el ángulo de conducción θ, al cambiar el valor promedio UL del voltaje de CC del pulso en la carga, se logra una rectificación controlable.

1: El rectificador controlado por silicio bidireccional encapsulado en plástico de baja potencia se usa comúnmente como sistema de iluminación acústico-óptico. Corriente nominal: IA es inferior a 2A.

2: Grande; Los tiristores sellados de plástico y de hierro de potencia media se utilizan comúnmente como circuitos de regulación de voltaje controlable de tipo de potencia. Como fuente de alimentación CC de salida de voltaje ajustable, etc.

3: El tiristor de alta frecuencia y alta potencia se usa comúnmente en la industria; Horno de fusión de alta frecuencia, etc.