Кремниевый управляемый выпрямитель
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( декабрь 2019 г. ) |
 Кремниевый управляемый выпрямитель | |
| Тип | Активный |
|---|---|
| Working principle | Ян М. Макинтош ( Bell Laboratories ) |
| Изобретенный | Гордон Холл и Фрэнк В. «Билл» Гацвиллер |
| Первое производство | Дженерал Электрик , 1957 год. |
| Конфигурация контактов | Анод , затвор и катод |
| Электронный символ | |
 | |
Кремниевый управляемый выпрямитель или полупроводниковый управляемый выпрямитель представляет собой четырехслойное твердотельное тока устройство регулирования . Название «кремниевый выпрямитель» является торговым названием General Electric для типа тиристора . Принцип четырехслойного переключения p–n–p–n был разработан Моллом, Таненбаумом, Голди и Холоньяком из Bell Laboratories в 1956 году. [1] Практическая демонстрация кремниевого управляемого переключения и подробное теоретическое поведение устройства в соответствии с экспериментальными результатами была представлена доктором Яном М. Макинтошом из Bell Laboratories в январе 1958 года. [2] [3] SCR был разработан командой энергетиков под руководством Гордона Холла. [4] [5] [6] [7] и коммерциализирован Фрэнком В. «Биллом» Гацвиллером в 1957 году.
Некоторые источники определяют кремниевые выпрямители и тиристоры как синонимы. [8] в то время как другие источники определяют кремниевые выпрямители как надлежащую подгруппу набора тиристоров; последние представляют собой устройства как минимум с четырьмя слоями чередующихся материалов n- и p-типа . [9] [10] По словам Билла Гуцвиллера, термины «SCR» и «управляемый выпрямитель» появились раньше, а «тиристор» стал применяться позже, поскольку использование устройства распространилось по всему миру. [11]
SCR являются однонаправленными устройствами (т.е. могут проводить ток только в одном направлении) в отличие от TRIAC , которые являются двунаправленными (т.е. носители заряда могут проходить через них в любом направлении). SCR обычно могут запускаться только положительным током, поступающим в затвор, в отличие от TRIAC, которые обычно могут запускаться как положительным, так и отрицательным током, приложенным к его электроду затвора.
Режимы работы [ править ]
Существует три режима работы тиристора в зависимости от приданного ему смещения:
- Режим блокировки пересылки (выключено)
- Режим прямой проводимости (включенное состояние)
- Режим обратной блокировки (выключено)
Режим прямой блокировки [ править ]
В этом режиме работы на анод (+, p-легированная сторона) подается положительное напряжение, а на катод (-, n-легированная сторона) подается отрицательное напряжение, что удерживает затвор при нулевом (0) потенциале, т.е. в отключенном состоянии. В этом случае переходы J1 и J3 имеют прямое смещение , а J2 — обратное , что допускает лишь небольшой ток утечки от анода к катоду. Когда приложенное напряжение достигает значения пробоя для J2 , J2 подвергается лавинному пробою. При этом напряжении отключения J2 начинает проводить ток, но ниже напряжения отключения J2 оказывает очень высокое сопротивление току, и говорят, что тиристор находится в выключенном состоянии.
Режим прямой проводимости [ править ]
SCR можно перевести из режима блокировки в режим проводимости двумя способами: либо за счет увеличения напряжения между анодом и катодом, превышающего напряжение пробоя, либо путем подачи положительного импульса на затвор. Как только SCR начинает проводить ток, для поддержания его во включенном состоянии больше не требуется напряжение затвора. Минимальный ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии при снятии напряжения на затворе, называется током фиксации.
Есть два способа отключить его :
- Уменьшите ток через него ниже минимального значения, называемого током удержания, или
- При выключенном затворе на мгновение закоротите анод и катод с помощью кнопочного переключателя или транзистора через переход.
Режим обратной блокировки [ править ]
Когда отрицательное напряжение подается на анод и положительное напряжение на катод, тиристор находится в режиме обратной блокировки, делая J1 и J3 смещенными в обратном направлении, а J2 — в прямом. Устройство ведет себя как два последовательно соединенных диода. Протекает небольшой ток утечки. Это режим обратной блокировки. Если обратное напряжение увеличить, то при критическом уровне пробоя, называемом напряжением обратного пробоя (VBR ) , на J1 и J3 возникает лавина и обратный ток быстро возрастает.Доступны тиристоры с возможностью обратной блокировки, что увеличивает прямое падение напряжения из-за необходимости иметь длинную низколегированную область P1. Обычно номинальное напряжение обратной блокировки и номинальное напряжение прямой блокировки одинаковы. Типичное применение тиристора с обратной блокировкой — в инверторах тока.
SCR, не способный блокировать обратное напряжение, известен как асимметричный SCR , сокращенно ASCR . Обычно его номинал обратного пробоя составляет десятки вольт. ASCR используются там, где параллельно применяется диод обратной проводимости (например, в инверторах источника напряжения) или там, где обратное напряжение никогда не возникает (например, в импульсных источниках питания или тяговых прерывателях постоянного тока).
Асимметричные тиристоры могут быть изготовлены с диодом обратной проводимости в том же корпусе. Они известны как RCT для тиристоров обратной проводимости .
Способы включения тиристоров [ править ]
- запуск по прямому напряжению
- срабатывание ворот
- dv / dt срабатывание
- термический запуск
- срабатывание света
Запуск по прямому напряжению происходит, когда прямое напряжение анод-катод увеличивается при открытой цепи затвора. Это известно как лавинный пробой, при котором развязка J2 выйдет из строя. При достаточном напряжении тиристор переходит в открытое состояние с малым падением напряжения и большим прямым током. В этом случае J1 и J3 уже смещены в прямом направлении .
Чтобы произошло срабатывание затвора, тиристор должен находиться в состоянии прямой блокировки, когда приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, в противном случае может произойти срабатывание по прямому напряжению. Затем между затвором и катодом можно подать один небольшой положительный импульс напряжения. Это подает одиночный импульс тока затвора, который переводит тиристор во включенное состояние. На практике это наиболее распространенный метод запуска тиристора.
Срабатывание по температуре происходит, когда ширина области обеднения уменьшается по мере повышения температуры. Когда тиристор находится рядом с VPO, очень небольшое повышение температуры приводит к удалению перехода J2, что приводит к срабатыванию устройства.
Простая схема SCR [ править ]
Простую схему SCR можно проиллюстрировать с использованием источника переменного напряжения, подключенного к SCR с резистивной нагрузкой. Без приложенного импульса тока к затвору тиристора тиристор остается в состоянии прямой блокировки. Это делает начало проведения тиристора управляемым. Угол задержки α, который представляет собой момент подачи импульса тока затвора по отношению к моменту естественной проводимости (ωt = 0), контролирует начало проводимости. Когда тиристор проводит ток, он не выключается до тех пор, пока ток через тиристор не станет отрицательным. i s остается нулевым до тех пор, пока не будет применен еще один импульс тока затвора и SCR снова не начнет проводить ток. [12]
Приложения [ править ]
SCR в основном используются в устройствах, где требуется управление большой мощностью, возможно, в сочетании с высоким напряжением. Их работа делает их пригодными для использования в приложениях управления мощностью переменного тока среднего и высокого напряжения, таких как регулировка яркости ламп , регуляторы мощности и управление двигателями.
SCR и аналогичные устройства используются для выпрямления мощного переменного тока при передаче электроэнергии постоянного тока высокого напряжения . Они также используются при управлении сварочными аппаратами, в основном газовой вольфрамовой дуговой сваркой и аналогичными процессами. Используется в качестве электронного переключателя в различных устройствах. Ранние полупроводниковые автоматы для игры в пинбол использовали их для управления освещением, соленоидами и другими функциями электронным, а не механическим способом, отсюда и название «твердотельный».
Другие области применения включают схемы переключения мощности, управляемые выпрямители, управление скоростью шунтовых двигателей постоянного тока, тиристорные ломы, компьютерные логические схемы, схемы синхронизации и инверторы.
Сравнение с СКС [ править ]
Кремниевый переключатель (SCS) ведет себя почти так же, как SCR; но есть несколько отличий. В отличие от SCR, SCS выключается, когда положительное напряжение/входной ток подается на другой вывод анодного затвора. В отличие от тиристора, SCS может перейти в режим проводимости, когда к тому же проводу прикладывается отрицательное напряжение/выходной ток.
SCS полезны практически во всех схемах, где требуется переключатель, который включается/выключается с помощью двух отдельных управляющих импульсов. Сюда входят схемы переключения питания, логические схемы, драйверы ламп и счетчики.
По сравнению с TRIAC [ править ]
Симистор похож на тиристор , поскольку оба действуют как переключатели с электрическим управлением. В отличие от SCR, TRIAC может пропускать ток в любом направлении. Таким образом, симисторы особенно полезны для приложений переменного тока. Симисторы имеют три вывода: вывод затвора и два проводящих вывода, обозначаемые как MT1 и MT2. Если на вывод затвора не подается ток/напряжение, симистор выключается. С другой стороны, если на вывод затвора подается триггерное напряжение, симистор включается.
Симисторы подходят для схем регулирования яркости, схем управления фазой, схем переключения мощности переменного тока, схем управления двигателями переменного тока и т. д.
См. также [ править ]
- Высоковольтный постоянный ток
- Запирающий тиристор
- Биполярный транзистор с изолированным затвором
- Встроенный тиристор с коммутацией затвора
- Регулятор напряжения
- демпфер
- Лом (схема)
- ДЕАК
- БЮТ
Ссылки [ править ]
- ^ Молл, Дж.; Таненбаум, М.; Голди, Дж.; Холоньяк, Н. (сентябрь 1956 г.). «Транзисторные переключатели PNPN». Труды ИРЭ . 44 (9): 1174–1182. дои : 10.1109/jrproc.1956.275172 . ISSN 0096-8390 . S2CID 51673404 .
- ^ Вассёр, JP (6 июня 2016 г.). Свойства и применение транзисторов . Эльзевир. ISBN 9781483138886 .
- ^ Твист, Джо (18 апреля 2005 г.). «Закон, который управляет цифровой жизнью» . Новости Би-би-си . Проверено 27 июля 2018 г.
- ^ Уорд, Джек. «Ранняя история кремниевого управляемого выпрямителя» . п. 6 . Проверено 12 апреля 2014 г.
- ^ «Полупроводники: Тиристоры и не только» . Технологический центр Эдисона.
- ^ «ЮКЖД – 50 лет» (PDF) . Журнал отраслевых приложений IEEE.
- ^ Мунгенаст, Дж. Э. «Революция ЮКЗ» . Кафе РФ . Компания Дженерал Электрик.
- ^ Кристиансен, Дональд; Александр, Чарльз; Юрген, Рональд (2005). Стандартный справочник по электронной технике, 5-е издание . Макгроу-Хилл. ISBN 9780071384216 .
- ^ Международной электротехнической комиссии 60747-6. Стандарт
- ^ Дорф, Ричард К. (26 сентября 1997 г.). Справочник по электротехнике, второе издание . ЦРК Пресс. ISBN 9781420049763 .
- ^ Уорд, Джек. «Ранняя история кремниевого управляемого выпрямителя» . п. 7 . Проверено 12 апреля 2014 г.
- ^ Мохан, Нед (2012). Силовая электроника: первый курс . США: Дон Фоули. стр. 230–231. ISBN 978-1-118-07480-0 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- ON Semiconductor (ноябрь 2006 г.). Теория тиристоров и аспекты проектирования (PDF) (ред. 1, HBD855/D изд.). п. 240.
- ГК Миталь. Промышленная и силовая электроника .
- КБ Ханчандани. Силовая электроника .