Scr что это в электронике

Особенности регуляторов мощности SCR

Сегодня, более чем когда-либо, инженеры проектируют системы электрического технологического нагрева с использованием регуляторов мощности SCR. Использование регулятора мощности SCR имеет множество преимуществ: более точное управление процессом нагрева, увеличенный срок службы нагревателя, улучшенное качество продукции при более высоких скоростях производства и снижение затрат на обслуживание.

Регулятор мощности SCR — это устройство, являющееся примером правильно спроектированного управления мощностью, имеет в конструкции радиатор охлаждения, защиту от скачков напряжения варистора и предохранитель.

Если вы принимаете решения в своей компании, вы должны выбирать из множества типов компонентов, используемых во всем технологическом процессе. Возьмем, к примеру, контроль мощности. Вы можете спросить: «Зачем использовать кремниевый выпрямитель (SCR), регулирующий мощность?» Давайте ответим на данный вопрос.

В отличие от механического реле или контактора, регулятор мощности SCR не имеет механических частей, которые могут изнашиваться. Регулятор мощности SCR не будет подвергаться дуге или загрязнению контактов. А механическое реле необходимо будет заменить через определенное количество циклов. Из-за медленного (минимум 30 секунд) времени цикла, присущего механическим реле, управление напряжением с их помощью будет некачественным, в сравнении с SCR.

Ртутные реле смещения могут работать быстрее, чем механические реле. Однако при перегреве из-за слишком быстрой смены циклов или перегрузки ртутное реле взорвется. Это приводит к проблеме с опасными материалами. Из-за более строгих правительственных нормативов транспортировка и утилизация ртутных реле также становятся все труднее.

Твердотельные реле — популярная альтернатива механическому управлению мощностью. Общие для всех твердотельных устройств твердотельные реле рассеивают тепло, которое необходимо отвести, и они способны рассеивать больше тепла, чем тиристоры. Но твердотельные реле обычно не поставляются с наконечниками, которые обеспечивают надежное электрическое соединение для более высоких уровней мощности. Кроме того, они не всегда продаются с радиаторами, защитой по напряжению или предохранителями, необходимыми для защиты и безопасной работы реле.

Дальнейшие проблемы могут возникнуть из-за характеристик твердотельного реле. Почти все твердотельные реле рассчитаны на максимальную мощность при 25 о С. В реальных условиях эксплуатации, где внутренние температуры электротехнических шкафов достигают более чем 40 ò С, твердотельное реле может потерпеть неудачу , если используется на полную мощность. У большинства производителей есть таблица снижения номинальных характеристик своей продукции, чтобы компенсировать это несоответствие. К сожалению, при выборе твердотельного реле многие пользователи полагаются только на максимальный рейтинг. Обязательно ознакомьтесь с данными производителя, прежде чем выбирать, какое твердотельное реле лучше всего подойдет для вашего процесса.

Минимальное номинальное напряжение SCR

Таблица 1: Минимальное номинальное напряжение SCR. Минимальное номинальное напряжение для SCR определяется уровнем напряжения питания, на котором он будет использоваться.

Продление срока службы вашего регулятора мощности

Три вещи разрушат все твердотельные регуляторы мощности:

• Перегрев.
• Короткие замыкания.
• Скачки напряжения.

Вот как уберечь их от выхода из строя на вашей производственной линии.

Перегрев

Почти все полупроводники будут разрушены при температуре внутреннего перехода 125 o C. Все твердотельные силовые устройства, такие как тиристоры, симисторы и твердотельные реле, рассеивают тепло. Падение напряжения на силовом устройстве приводит к выделению тепла. Это падение может составлять от 1 до 2 В в зависимости от устройства. Чем больше ток (в амперах) проходит через устройство, тем большую мощность устройство будет рассеивать в виде тепла. Это тепло необходимо убрать, иначе устройство выйдет из строя.

Самый простой и распространенный способ отвода тепла — использование радиатора. Если используется радиатор подходящего размера, SCR может работать на полную мощность при температуре окружающей среды 50 o C. Чем выше выходная сила тока, тем больше тепла рассеивается. Многие производители используют вентиляторы для отвода избыточного тепла от высокопроизводительных регуляторов мощности SCR. В некоторых регуляторах мощности SCR со сверхвысокой выходной мощностью (более 1000 А) используются радиаторы с водяным охлаждением.

Одна из проблем с некоторыми SCR или твердотельными реле — это упаковка. Чтобы уменьшить размер радиатора, производители делают его с площадью ребер недостаточной для отвода избыточного тепла. Радиаторы, устанавливаемые на DIN-рейку, позволяют сэкономить место на панели и время установки. Однако, когда многие элементы управления установлены рядом друг с другом на DIN-рейке, удельная мощность внутри корпуса увеличивается. В то же время поток воздуха к радиаторам уменьшается или полностью блокируется. Если вы используете такое расположение, убедитесь, что производитель не потребовал, чтобы радиатор на DIN-рейке охлаждался вентилятором или устанавливался с ребрами радиатора снаружи шкафа. Кроме того, проверьте кривую снижения характеристик устройства на том уровне мощности, который он будет использовать.

Даже при низкой мощности, такой как 25 А, каждая управляемая ножка твердотельного реле будет рассеивать около 50 Вт рассеиваемого тепла. Если у вас есть 20 регуляторов мощности твердотельных реле на DIN-рейке в небольшом корпусе, вам придется избавиться от 1000 Вт тепла! При установке элементов управления питанием следует использовать в два раза большую площадь, занимаемую устройством. Например, если регулятор мощности SCR имеет площадь основания 12 x 12 дюймов, используйте для установки область 24 x 24 дюйма.

Чтобы определить тепло, выделяемое контроллером SCR, используйте следующую формулу: для каждой контролируемой ветви (C) умножьте силу тока нагрузки (I) на 1,5.

C x I x 1,5 = рассеиваемая мощность (Вт)

Пластиковые корпуса действуют как теплоизоляторы. Скорее всего, вы повредите регулятор мощности SCR, если установите его внутри пластикового корпуса. Установка радиатора в сквозное отверстие с ребрами радиатора на внешней стороне корпуса — единственный надежный способ использования пластикового корпуса.

Для создания безопасного расположения элементов, позволяющего поддерживать работу регуляторов мощности SCR в течение многих лет, нужно придерживаться следующих рекомендаций. Все тиристоры должны иметь предохранители и металлооксидную варисторную защиту по напряжению. Радиаторы должны быть расположены на безопасном расстоянии друг от друга для эффективного охлаждения. На дверце шкафа автоматики должен быть установлен вентилятор и вентиляционные отверстия в верхней части корпуса для обеспечения достаточного охлаждения для всех компонентов.

Защита от короткого замыкания и предохранители

Все полупроводники могут быть повреждены коротким замыканием. Один из простейших способов защитить регулятор мощности SCR — это предохранитель. SCR — это прочные и надежные устройства. Однако для обеспечения максимальной производительности и срока службы необходимо использовать полупроводниковые, субцикловые и токоограничивающие предохранители. Почти все производители регуляторов мощности SCR имеют эти предохранители на своих регуляторах. Токоограничивающие предохранители надежны и легко заменяются. Предохранитель этого типа сработает в течение 2 мс. Эти предохранители также ограничивают ток при отключении.

В случае короткого замыкания нагревателя проще всего заменить предохранитель. Перед установкой нового предохранителя обязательно удалите закороченный нагреватель или проводку. Не использовать полупроводниковый предохранитель — это глупо и безответственно. Без защиты плавким предохранителем SCR может быть поврежден, когда в этом нет необходимости.

Регуляторы напряжения, представленные в нашем интернет-магазине, имеют встроенные предохранители, которые позволят безопасно использовать их в нагревательных системах. Только будьте внимательны при выборе требуемой мощности, а лучше обратитесь к специалистам Элемаг за консультацией.

Помните, что 99,9% отказов предохранителей происходят из-за короткого замыкания нагревателей, слабых соединений, неправильного (слишком большого) согласования нагрузки или неправильного подключения регулятора мощности SCR. При высоких скачках нагрузки (вольфрамовые лампы, коротковолновые галогенные нагреватели) использование чего-либо, кроме плавного пуска, управления тиристором по углу сдвига по фазе, приведет к перегоранию предохранителей. Никогда не включайте холодный пусковой блок нагревателя после того, как был активирован плавный пуск.

Убедитесь, что размер регулятора мощности SCR соответствует нагрузке вашего нагревателя. Помните, что у нагревателей и линий электропередач есть допуски. В целях безопасности используйте регулятор мощности SCR с номиналом от 1 до 10 процентов от максимального потенциала нагрузки нагревателя.

Скачки напряжения

Скачки перенапряжения затронут почти все электронные устройства. Переходные скачки напряжения могут привести к пропуску зажигания в SCR или даже к необратимому повреждению SCR.

Самым простым в использовании защитным устройством является металлооксидный варистор (MOV). Варистор подключен к тиристору. При использовании варистора с номинальным напряжением выше, чем линейное напряжение, но ниже, чем пиковое напряжение SCR, металлооксидный варистор становится эффективной защитой от скачков напряжения. Если скачок переходного напряжения превышает номинальное напряжение варистора, варистор блокирует этот скачок. Если импульс достаточно мощный, металлооксидный варистор взорвется, защищая тиристор.

Использование платы подавления DV / DT — это следующий шаг в защите от шума линии электропередач и скачков напряжения. Благодаря сети силовых резисторов, высоковольтных конденсаторов и металлооксидных варисторов, SCR имеет лучшую защиту от линейных помех и скачков напряжения. Эта сеть помогает устранить повреждение SCR, а также пропуски зажигания SCR.

Постоянное перенапряжение разрушит SCR. Убедитесь, что тиристоры, используемые в регуляторе мощности, рассчитаны на достаточно высокое напряжение, чтобы выдерживать пики промышленного напряжения. Чем выше пиковое напряжение SCR, тем безопаснее он.

Выбор SCR

Фазо-угловые регуляторы пропорционально включают процентную долю каждого полупериода линии электропередачи. Это обеспечивает плавное, бесступенчатое приложение мощности к нагревателям. Самый точный метод управления, фазовый обжиг, также может увеличить срок службы нагревателя до семи раз, в зависимости от типа нагревателя. Кроме того, поджиг по фазе позволяет использовать такие опции, как плавный пуск, ограничение напряжения и тока. Эти параметры недоступны с другими средствами управления.

Элементы управления переключением при нулевом напряжении пропорционально включают и выключают каждый полный цикл линии питания. Изменяя количество циклов линии питания переменного тока, SCR обеспечивает питание нагревателей. Благодаря переменной временной развертке достигается оптимальное количество циклов включения и выключения. Этот метод создает меньше линейных шумов радиочастотных помех (RFI), чем тиристоры с фазо-угловым возбуждением.

Регуляторы включения / выключения работают так же, как механические или ртутные реле, но с тем преимуществом, что они намного сокращают время цикла.

Выполнив несколько простых шагов, регулятор мощности SCR может обеспечить превосходную производительность при минимальных затратах на обслуживание в течение многих лет.

Scr что это в электронике

Silicon Controlled Rectifier (SCR)

The term SCR stands for silicon controlled rectifier which is one of the most important members of the thyristor family. It is more popular than the other Thyristors like TRIAC, SCS, DIAC, etc. that some people even use the words Thyristor and SCR interchangeably. So next time when someone says just “Thyristor” in general, then they are referring to the SCR.

SCRs are constructed from silicon and are most commonly used for converting AC current to DC current (rectification), hence the name Silicon controlled rectifier. They are also used in other applications such as regulation of power, inversion, etc. The SCRs have an ability to handle high value of current and Voltage hence they are used in most of the industrial applications.

SCR Symbol

The Symbol of the SCR will be similar to that of the diode, additionally; it has a gate terminal as shown below. The SCR is a unidirectional device that allows the current to flow in one direction and opposes it in another direction. SCR has three terminals namely Anode (A), Cathode (K) and gate (G), it can be turned ON or OFF by controlling the biasing conditions or the gate input.

Again the Thyristor symbol and SCR symbol are the same. Now that we know how an SCR/Thyristor can be represented in a circuit diagram, let’s look into the SCR Construction and Working to understand more about it.

Construction of SCR

The SCR is a four-layered semiconductor device that forms NPNP or PNPN structure, which eventually forms three junctions J1, J2, and J3. Among the three terminals of the SCR, the Anode is a positive electrode, it will be on the P-layer and Cathode is a negative electrode, it will be on the N-layer of the SCR, the Gate acts as a control terminal of the SCR. The SCR Construction image is shown below.

The outer P and N layers where the two electrodes are placed will be heavily doped and the middle P and N layers will be lightly doped, the gate terminal will be connected to the P-layer in the middle. The SCRs are constructed with three different types, planar type, Mesa type, and Press pack type.

How SCR works

To understand the SCR working principle we have to look into the different ways it can operate. Depending on the polarity of the voltage applied and the gate pulse given to the SCR, it can operate in three different modes such as

• Forward Blocking mode
• Forward Conduction mode
• Reverse Blocking mode

Now, let’s understand the Thyristor working by taking a look at each of the operating modes with its circuit diagram.

Forward Blocking Mode

In this mode of operation, the positive voltage is applied to the anode and the negative voltage applied to the cathode, there will not be any pulse applied to the gate, it will be kept in the open state. Once the voltage is applied, the junctions J1 and J3 will be forward biased and the junction J2 will be reverse biased. Since J2 is reverse biased the width of the depletion region increases and it acts as an obstacle for conduction, so only a small amount of current will be flowing from J1 to J3.

When the voltage applied to the SCR is increased and if it reaches the breakdown voltage of the SCR, the junction J2 gets depleted due to avalanche breakdown. Once the Avalanche breakdown occurs the current will start flowing through the SCR. In this mode of operation, the SCR is forward biased, but, there will not be any current flow.

Forward Conduction Mode

The Forward Conduction Mode is the only mode at which the SCR will be in the ON state and will be conducting. We can make the SCR conduct in two different ways, one we can increase the applied forward bias voltage beyond the breakdown voltage or else we can apply a positive voltage to the gate terminal.

When we increase the Applied forward bias voltage between the anode and cathode the junction J2 will be depleted due to the avalanche breakdown and the SCR will start conducting. We are not able to do this for all the applications and this method of activating the SCR will eventually reduce the lifetime of the SCR.

If you want to use the SCR for low voltage applications you can apply a positive voltage to the gate of the SCR. The applied positive voltage will help the SCR to move to the conduction state. During this mode of operation, the SCR will be operating in forward bias and current will be flowing through it.

Reverse Blocking Mode

In the reverse blocking mode, the positive voltage is applied to the Cathode (-) and the Negative voltage is given to the Anode (+), There will not be any pulse given to the gate, it will be kept as an open circuit. During this mode of operation the Junctions J1 and J3 will be reverse biased and the junction J2 will be forward biased. Since the junctions J1 and J3 are reverse biased there will not be any current flowing through the SCR. Although there will be a small leakage current flowing due to the drift charge carriers in the forward-biased Junction J2, it is not enough to turn on the SCR.

VI Characteristics of SCR

The VI characteristics of the SCR are obtained by operating the SCR in three different regions, namely forward blocking region, forward conduction region and reverse blocking region

When the SCR is operating in the reverse blocking mode, there will be small leakage current flowing in the reverse direction of the SCR which is mentioned as the reverse leakage current in the graph, the reverse leakage current will be located at the negative quadrants of the graph.

Now if you apply positive voltage to anode and negative voltage to cathode the SCR will start operating in the forward blocking mode and a small leakage current will be flowing through the SCR in the positive direction, hence the curve starts rising to a certain level in the positive quadrants of the graph which is mentioned as the forward leakage current.

Once the graph reaches a certain voltage level called the Breakdown voltage or if the gate current Ig is applied to the SCR, the SCR moves to the conduction mode and a high amount of current starts flowing through the SCR. The current flow is represented as the forward conduction in the VI curve. The gate current applied are mentioned as Ig1, Ig2 and Ig3, higher the applied gate current faster the SCR goes to the conduction state as Ig3 > Ig2 > Ig1.

SCR Applications

From Converter circuits to Control circuits, SCRs are used in a wide range of applications. It is not possible to discuss all the Thyristor applications, but basically, they are used to control the current or voltage across a device. For example, let’s consider an example where SCRs are used to control the speed of a motor.

The above circuit diagram of SCR shows the arrangement for controlling the speed of a DC motor using the SCR. The motor will be having two windings namely field winding and armature winding. By controlling the current given to the armature winding we can control the speed of the DC motor. The armature winding of the motor is connected to an AC supply through a transformer and two SCRs connected in parallel with one another.

During the positive half cycle of the AC supply, the SCR1 is forward biased and starts conducting if the gate pulse is applied, the current to the armature winding will be flowing through the SCR1. Similarly, during the negative half cycle of the AC supply, the SCR2 is forward biased and SCR1 will be reverse biased and hence the SCR1 goes to the OFF state, when the gate pulse is applied to SCR2 it starts, conducting. By varying the trigger pulse given to the gates of the respective SCRs we will be able to control the input given to the DC motor hence it controls the speed of the motor.

Different Types of SCRs and Packages

There are many types of SCR based on the specification and application. We have already discussed about the popular SCRs like BT151, 2P4M, TYN608, etc. The SCRs are available in different kinds of packages that can be used for different kinds of applications. The SCRs are available in the following packages

Discrete Plastic: The discrete Plastic package is a commonly known type of SCRs that has three pins attached to a plastic-covered semiconductor material. These SCRs are of planar type construction and they are the cheapest type of SCR when compared to other packages. They are available up to 25A and 1000V applications, they can be easily mounted on any type of circuit with a large number of other components.

Plastic Module: The Plastic module shares the similar features of the Discrete Plastic package, it also contains more than one device and available in the current range up to 100A. Using these modules will give a circuit a better finishing because they can be mounted to the boards with bolting the heatsink to the circuit board.

Stud Base: The stud base device will be having a screwed base, it shares the dual advantage of low thermal resistance and ease of mounting. They are available between the current range of 5 to 150 A and a full range of voltage. The only disadvantage it posses is that it cannot be easily isolated from the heat sink

Flat Base: The Flat base shares the same features of the stud base SCR, the additional advantage is that they are being isolated from the heatsink by a thin layer of insulation. They are available in the current range between 10 to 400A.

Press Pack: The press pack SCRs are used for high current applications of 200A or above and applications with higher voltage exceeding 1200V. The SCR structure and the electrodes are packed within a ceramic envelop that provides the required isolation between the anode and cathode. Both the surface is clamped to the heat sink; hence they offer better electrical contact resistance and minimum thermal resistance.

Выпрямитель с кремниевым управлением — Silicon controlled rectifier

А кремниевый управляемый выпрямитель или же выпрямитель с полупроводниковым управлением четырехслойный твердое состояние Текущий -управляющее устройство. Принцип четырехслойного p – n – p – n переключения был разработан Моллем, Таненбаумом, Голди и Холоняком из Bell Laboratories в 1956 г. [1] Практическая демонстрация кремниевого управляемого переключения и подробное теоретическое поведение устройства в соответствии с экспериментальными результатами были представлены д-ром Яном М. Макинтошем из Bell Laboratories в январе 1958 года. [2] [3] Название «кремниевый управляемый выпрямитель» General Electric торговое наименование типа тиристор. SCR был разработан командой энергетики во главе с Гордоном Холлом [4] и коммерциализирована Фрэнком В. «Биллом» Гуцвиллером в 1957 году.

Некоторые источники определяют кремниевые выпрямители и тиристоры как синонимы, [5] другие источники определяют кремниевые выпрямители как правильное подмножество набора тиристоров, те [ который? ] быть устройствами как минимум с четырьмя уровнями чередования н- и материал p-типа. [6] [7] По словам Билла Гуцвиллера, термины «SCR» и «управляемый выпрямитель» были раньше, а «тиристор» применялся позже, так как использование устройства распространилось по всему миру. [8]

SCR — это однонаправленные устройства (т.е. могут проводить ток только в одном направлении), в отличие от ТРИАК, которые являются двунаправленными (т.е. носители заряда могут проходить через них в любом направлении). Обычно тиристоры могут срабатывать только положительным током, идущим в затвор, в отличие от симисторов, которые могут нормально запускаться либо положительным, либо отрицательным током, подаваемым на его электрод затвора.

Содержание

Режимы работы

Есть три режима работы SCR в зависимости от заданного смещения:

1. Режим прямой блокировки (выключенное состояние)
2. Режим прямой проводимости (включено состояние)
3. Обратный режим блокировки (выключенное состояние)

Режим прямой блокировки

В этом режиме работы на анод (+) подается положительное напряжение, а на катод (-) — отрицательное напряжение, удерживая затвор под нулевым потенциалом (0), то есть отключенным. В этом случае соединение J1и J3 смещены вперед, а J2 имеет обратное смещение, допускающее лишь небольшую утечку тока от анода к катоду. Когда приложенное напряжение достигает значения отключения для J2, тогда J2 подвергается сходу лавины. При этом напряжении отключения J2 начинает проводить, но ниже напряжения отключения J2 предлагает очень высокое сопротивление току, и говорят, что SCR находится в выключенном состоянии.

Режим прямой проводимости

SCR может быть переведен из режима блокировки в режим проводимости двумя способами: либо путем увеличения напряжения между анодом и катодом сверх напряжения отключения, либо путем подачи положительного импульса на затвор. Как только SCR начинает проводить, больше не требуется напряжения на затворе, чтобы поддерживать его в НА государственный. Минимальный ток, необходимый для поддержания SCR в НА состояние при снятии напряжения затвора называется током фиксации.

Есть два способа повернуть его выключенный:

1. Уменьшите ток через него ниже минимального значения, называемого током удержания, или
2. С воротами повернутыми выключенный, закоротите анод и катод на мгновение с помощью кнопочного переключателя или транзистора через переход.

Обратный режим блокировки

Когда на анод подается отрицательное напряжение, а на катод — положительное напряжение, тиристор находится в режиме обратной блокировки, в результате чего J1 и J3 смещаются в обратном направлении, а J2 — в прямом. Устройство ведет себя как два последовательно включенных диода с обратным смещением. Протекает небольшой ток утечки. Это режим обратной блокировки. Если обратное напряжение увеличивается, то при критическом уровне пробоя, называемом обратным напряжением пробоя (В_BR) на J1 и J3 происходит лавина, и обратный ток быстро увеличивается. Доступны тиристоры с возможностью обратной блокировки, которая увеличивает прямое падение напряжения из-за необходимости иметь длинную область P1 с низким содержанием примесей. Обычно номинальное напряжение обратной блокировки и номинальное напряжение прямой блокировки одинаковы. Типичное применение обратного блокирующего тиристора — инверторы с источником тока.

SCR, неспособный блокировать обратное напряжение, известен как асимметричный SCR, сокращенно ASCR. Обычно он имеет номинал обратного пробоя в десятки вольт. ASCR используются там, где либо параллельно применяется диод с обратной проводимостью (например, в инверторах источника напряжения), либо 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 РКИ для тиристоры обратной проводимости.

Способы включения тиристоров

1. запуск по прямому напряжению
2. запуск ворот
3. dv/dt запуск
4. срабатывание по температуре
5. легкий запуск

Запуск по прямому напряжению происходит, когда прямое напряжение анод-катод увеличивается при разомкнутой цепи затвора. Это известно как лавинный пробой, во время которого выходит из строя соединение J2. При достаточном напряжении тиристор переходит во включенное состояние с низким падением напряжения и большим прямым током. В этом случае J1 и J3 уже переданы.пристрастный.

Для срабатывания затвора тиристор должен находиться в состоянии прямой блокировки, когда приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, в противном случае может произойти запуск по прямому напряжению. Затем между затвором и катодом может быть приложен одиночный небольшой положительный импульс напряжения. Это подает одиночный импульс тока затвора, который переводит тиристор во включенное состояние. На практике это наиболее распространенный метод срабатывания тиристора.

Температурный триггер_ 10 лет — это уменьшение ширины области истощения, если температура увеличивается, когда SCR находится рядом с VPO, чем очень небольшое повышение температуры запускает устройство, поэтому переход J2 удаляется, и устройство начинает проводить.

Простая схема SCR

Простую схему SCR можно проиллюстрировать с использованием источника переменного напряжения, подключенного к SCR с резистивной нагрузкой. Без поданного импульса тока на затвор SCR, SCR остается в состоянии прямой блокировки. Это делает начало проведения SCR управляемым. Угол задержки α, который представляет собой момент подачи импульса тока затвора по отношению к моменту естественной проводимости (ωt = 0), управляет началом проводимости. Как только SCR проводит, SCR не отключается, пока ток через SCR, i_s, становится отрицательным. я_s остается нулевым, пока не будет подан следующий импульс тока затвора и SCR снова не начнет проводить. [9]

Приложения

SCR в основном используются в устройствах, где требуется управление высокой мощностью, возможно, в сочетании с высоким напряжением. Их работа делает их пригодными для использования в системах управления питанием переменного тока среднего и высокого напряжения, таких как затемнение лампы, регуляторы мощности и управления двигателями.

SCR и аналогичные устройства используются для выпрямления переменного тока большой мощности в высоковольтный постоянный ток передача энергии. Они также используются в управлении сварочными аппаратами, в основном GTAW (газовая дуговая сварка вольфрамом) процессы похожи. Он используется в качестве переключателя в различных устройствах. Ранний твердотельный пинбол машины использовали их для управления освещением, соленоидами и другими функциями в цифровом виде, а не механически, отсюда и название — твердотельные.

Сравнение с SCS

Переключатель с кремниевым управлением (SCS) ведет себя почти так же, как и SCR; но есть несколько отличий: в отличие от SCR, SCS отключается, когда положительное напряжение / входной ток подается на другой вывод анодного затвора. В отличие от SCR, SCS также может переходить в режим проводимости, когда к тому же выводу прикладывается отрицательное напряжение / выходной ток.

SCS полезны практически во всех схемах, которым нужен переключатель, который включается / выключается с помощью двух различных управляющих импульсов. Сюда входят схемы переключения питания, логические схемы, драйверы ламп, счетчики и т. Д.

По сравнению с TRIAC

А ТРИАК напоминает SCR, поскольку оба работают как переключатели с электрическим управлением. В отличие от SCR, TRIAC может пропускать ток в любом направлении. Таким образом, TRIAC особенно полезны для приложений переменного тока. TRIAC имеет три вывода: вывод затвора и два проводящих вывода, называемых MT1 и MT2. Если на вывод затвора не подается ток / напряжение, TRIAC отключается. С другой стороны, если триггерное напряжение приложено к выводу затвора, TRIAC включается.

ТРИАК подходят для цепей регулировки яркости, цепей управления фазой, цепей переключения питания переменного тока, цепей управления двигателями переменного тока и т. д.

Silicon Controlled Rectifier

We know that the diode allows electric current in one direction and blocks electric current in another direction. In other words, the diode converts the AC current in to DC current . This unique behavior of the diodes makes it possible to build different types of rectifiers such as half wave , full wave and bridge rectifiers . These rectifiers converts the Alternating Current into Direct Current.

The half wave, full wave, and bridge rectifiers uses normal p-n junction diodes (two layer diodes). So if the voltage applied to these diodes is high enough, then the diodes may get destroyed. So the rectifiers cannot operate at high voltages.

To overcome these drawback, scientists have developed a special type of rectifier known as Silicon Controlled Rectifier. These rectifiers can withstand at high voltages.

Silicon Controlled Rectifier Definition

A Silicon Controlled Rectifier is a 3 terminal and 4 layer semiconductor current controlling device. It is mainly used in the devices for the control of high power. Silicon controlled rectifier is also sometimes referred to as SCR diode, 4-layer diode, 4-layer device, or Thyristor. It is made up of a silicon material which controls high power and converts high AC current into DC current (rectification). Hence, it is named as silicon controlled rectifier.

What is Silicon Controlled Rectifier?

Silicon controlled rectifier is a unidirectional current controlling device. Just like a normal p-n junction diode, it allows electric current in only one direction and blocks electric current in another direction. A normal p-n junction diode is made of two semiconductor layers namely P-type and N-type . However, a SCR diode is made of 4 semiconductor layers of alternating P and N type materials.

The principle of p-n-p-n switching was developed by Tanenbaum, Goldey, Moll and Holonyak of Bell Laboratories in 1956. The silicon controlled rectifier was developed by a team of power engineers led by Gordon Hall and commercialized by Frank W. Frank W. «Bill» Gutzwiller in 1957. In the early days of this device development, it is often referred by names like SCR and controlled rectifier. However, now-a-days, this device is often referred by Thyristor.

Silicon controlled rectifiers are used in power control applications such as power delivered to electric motors, relay controls or induction heating elements where the power delivered has to be controlled.

Silicon Controlled Rectifier Symbol

The schematic symbol of a silicon controlled rectifier is shown in the below figure. A SCR diode consists of three terminals namely anode (A), cathode (K), Gate (G). The diode arrow represents the direction of conventional current .

Construction of Silicon Controlled Rectifier

A silicon controlled rectifier is made up of 4 semiconductor layers of alternating P and N type materials, which forms NPNP or PNPN structures. It has three P-N junctions namely J₁, J_2, J₃ with three terminals attached to the semiconductors materials namely anode (A), cathode (K), and gate (G). Anode is a positively charged electrode through which the conventional current enters into an electrical device, cathode is a negatively charged electrode through which the conventional current leaves an electrical device, gate is a terminal that controls the flow of current between anode and cathode. The gate terminal is also sometimes referred to as control terminal.

The anode terminal of SCR diode is connected to the first p-type material of a PNPN structure, cathode terminal is connected to the last n-type material, and gate terminal is connected to the second p-type material of a PNPN structure which is nearest to the cathode.

In silicon controlled rectifier, silicon is used as an intrinsic semiconductor . When pentavalent impurities are added to this intrinsic semiconductor, an N-type semiconductor is formed. When trivalent impurities are added to an intrinsic semiconductor, a p-type semiconductor is formed.

When 4 semiconductor layers of alternating P and N type materials are placed one over another, three junctions are formed in PNPN structure. In a PNPN structure, the junction J₁ is formed between the first P-N layer, the junction J₂ is formed between the N-P layer and the junction J₃ is formed between the last P-N layer. The doping of PNPN structure is depends on the application of SCR diode

Modes of Operation in SCR

There are three modes of operation for a Silicon Controlled Rectifier (SCR), depending upon the biasing given to it.

1) Forward Blocking Mode (Off State)

2) Forward Conducting Mode (On State)

3) Reverse Blocking Mode (Off State)

1) Forward Blocking Mode (Off State)

In this mode of operation, the positive voltage (+) is given to anode A (+), negative voltage (-) is given to cathode K (-), and gate G is open circuited as shown in the below figure. In this case, the junction J₁ and junction J₃ are forward biased whereas the junction J 2 becomes reverse biased. Due to the reverse bias voltage, the width of depletion region increases at junction J₂. This depletion region at junction J₂ acts as a wall or obstacle between the junction J₁ and junction J₃. It blocks the current flowing between junction J₁ and junction J₃. Therefore, the majority of the current does not flow between junction J₁ and junction J₃. However, a small amount of leakage current flows between junction J₁ and junction J₃.

When the voltage applied to the SCR reaches a breakdown value, the high energy minority carriers causes avalanche breakdown. At this breakdown voltage, current starts flowing through the SCR. But below this breakdown voltage, the SCR offers very high resistance to the current and so it will be in off state.

In this mode of operation, SCR is forward biased but still current does flows through it. Hence, it is named as Forward Blocking Mode.

2) Forward Conducting Mode (On State)

The Silicon Controlled Rectifier can be made to conduct in two ways:

1. By increasing the forward bias voltage applied between anode and cathode beyond the breakdown voltage
2. By applying positive voltage at gate terminal.

In the first case, the forward bias voltage applied between anode and cathode is increased beyond the breakdown voltage, the minority carriers (free electrons in anode and holes in cathode) gains large amount of energy and accelerated to greater velocities. This high speed minority carriers collides with other atoms and generates more charge carriers. Likewise, many collisions happens with other atoms. Due to this, millions of charge carriers are generated. As a result depletion region breakdown occurs at junction J₂ and current starts flowing through the SCR. So the SCR will be in On state. The current flow in the SCR increases rapidly after junction breakdown occurs.

In the second case, a small positive voltage V_G is applied to the gate terminal. As we know that, in forward blocking mode, current does not flows through the circuit because of the wide depletion region present at the junction J₂. This depletion region was formed because of the reverse biased gate terminal. So this problem can be easily solved by applying a small positive voltage at the Gate terminal. When a small positive voltage is applied to the gate terminal, it will become forward biased. So the depletion region width at junction J₂ becomes very narrow. Under this condition, applying a small forward bias voltage between anode and cathode is enough for electric current to penetrate through this narrow depletion region. Therefore, electric current starts flowing through the SCR circuit.

In second case, we no need to apply large voltage between anode and cathode. A small voltage between anode and cathode, and positive voltage to gate terminal is enough to brought SCR from blocking mode to conducting mode.

In this mode of operation, SCR is forward biased and current flows through it. Hence, it is named as Forward Conducting Mode.

3) Reverse Blocking Mode (On State)

In this mode of operation, the negative voltage (-) is given to anode (+), positive voltage (+) is given to cathode (-), and gate is open circuited as shown in the below figure. In this case, the junction J₁ and junction J₃ are reverse biased whereas the junction J 2 becomes forward biased.

As the junctions J₁ and junction J₃ are reverse biased, no current flows through the SCR circuit. But a small leakage current flows due to drift of charge carriers in the forward biased junction J₂. This small leakage current is not enough to turn on the SCR. So the SCR will be in Off state.

V-I Characteristics of SCR

The V-I characteristics of SCR is shown in the below figure. The horizontal line in the below figure represents the amount of voltage applied across the SCR whereas the vertical line represents the amount of current flows in the SCR.

V_A = Anode voltage, I_A = Anode current, +V_A = Forward anode voltage, +I_A = Forward anode current, -V_A = Reverse anode voltage, +I_A = Reverse anode current

The V-I characteristics of SCR is divided into three regions:

• Forward blocking region
• Forward conduction region
• Reverse blocking region

• Forward blocking region

In this region, the positive voltage (+) is given to anode (+), negative voltage (-) is given to cathode (-), and gate is open circuited. Due to this the junction J₁ and J₃ become forward biased while J₂ become reverse biased. Therefore, a small leakage current flows from anode to cathode terminals of the SCR. This small leakage current is known as forward leakage current.

The region OA of V-I characteristics is known as forward blocking region in which the SCR does not conduct electric current.

• Forward Conduction region

If the forward bias voltage applied between anode and cathode is increased beyond the breakdown voltage, the minority carriers (free electrons in anode and holes in cathode) gains large amount of energy and accelerated to greater velocities. This high speed minority carriers collides with other atoms and generates more charge carriers. Likewise, many collisions happens with atoms. Due to this, millions of charge carriers are generated. As a result depletion region breakdown occurs at junction J₂ and current starts flowing through the SCR. So the SCR will be in On state. The current flow in the SCR increases rapidly after junction breakdown occurs.

The voltage at which the junction J₂ gets broken when the gate is open is called forward breakdown voltage (V_BF).

The region BC of the V-I characteristics is called conduction region. In this region, the current flowing from anode to cathode increases rapidly. The region AB indicates that as soon as the device becomes on, the voltage across the SCR drops to some volts.

• Reverse Blocking Region

In this region, the negative voltage (-) is given to anode (+), positive voltage (+) is given to cathode (-), and gate is open circuited. In this case, the junction J₁ and junction J₃ are reverse biased whereas the junction J 2 becomes forward biased.

As the junctions J₁ and junction J₃ are reverse biased, no current flows through the SCR circuit. But a small leakage current flows due to drift of charge carriers in the forward biased junction J₂. This small leakage current is called reverse leakage current. This small leakage current is not sufficient to turn on the SCR.

If the reverse bias voltage applied between anode and cathode is increased beyond the reverse breakdown voltage (V_BR), an avalanche breakdown occurs. As a result, the current increases rapidly. The region EF is called reverse avalanche region. This rapid increase in current may damage the SCR device.