Kremíkový riadený usmerňovač (SCR) – práca, konštrukcia, metódy spúšťania, typy a aplikácie

Kremíkový riadený usmerňovač (SCR) je kľúčové výkonové polovodičové zariadenie široko používané na riadenie vysokého napätia a prúdu v elektrických a priemyselných systémoch. Jeho schopnosť efektívne prepínať a regulovať výkon ho robí užitočným v meničoch, motorových pohonoch a automatizačných obvodoch. Tento článok jasne a štruktúrovane vysvetľuje konštrukciu SCR, princíp činnosti, vlastnosti, typy a praktické aplikácie.

Č. 9. Aplikácie SCR

Čo je to kremíkový riadený usmerňovač (SCR)?

Kremíkový riadený usmerňovač (SCR) je trojpólové výkonové polovodičové zariadenie používané na ovládanie a spínanie vysokého napätia a prúdu v elektrických obvodoch. Je členom rodiny tyristorov a má štvorvrstvovú štruktúru PNPN. Na rozdiel od jednoduchej diódy umožňuje SCR riadené prepínanie, pretože sa zapne iba po privedení spúšťacieho signálu brány. Je široko používaný v AC/DC meničoch, motorových pohonoch, nabíjačkách batérií a priemyselnej automatizácii vďaka svojej vysokej schopnosti a účinnosti manipulácie s energiou.

Konštrukcia a symbol SCR

Kremíkový riadený usmerňovač (SCR) je vyrobený zo štyroch striedavých vrstiev polovodičových materiálov typu P a N, ktoré tvoria štruktúru PNPN s tromi spojmi: J1, J2 a J3. Má tri terminály:

• Anóda (A): Pripojené k vonkajšej P-vrstve

• Katóda (K): Pripojená k vonkajšej N-vrstve

• Brána (G): Pripojená k vnútornej P-vrstve a používaná na spúšťanie

Medzitým môže byť SCR modelovaný ako dva vzájomne prepojené tranzistory – jeden PNP a jeden NPN – tvoriace regeneračnú spätnú väzbu. Táto vnútorná štruktúra vysvetľuje západkové správanie SCR, kde pokračuje vo vedení aj po odstránení signálu hradla.

Symbol SCR pripomína diódu, ale obsahuje svorku hradla na ovládanie. Prúd tečie z anódy na katódu, keď sa zariadenie spustí cez bránu.

Prevádzka SCR

SCR pracuje v troch elektrických stavoch na základe napätia anóda-katóda a hradlového signálu:

Režim spätného blokovania

Keď je anóda vzhľadom na katódu záporná, križovatky J1 a J3 sú reverzne predpäté. Tečie iba malý zvodový prúd. Prekročenie limitu spätného napätia môže poškodiť zariadenie.

Režim blokovania dopredu (stav OFF)

S anódovým kladným a katódovým záporným sú križovatky J1 a J3 predpäté, zatiaľ čo J2 je spätne predpäté. SCR zostáva v tomto stave vypnutý, aj keď je pripojené napätie, ktoré bráni toku prúdu, kým sa nespustí.

Režim vedenia dopredu (stav zapnutý)

Aplikácia hradlového impulzu v predpätí vstrekne nosičom, ktorí majú križovatku J2 s predpätím, čo umožňuje vedenie. Po zapnutí sa SCR zablokuje a pokračuje vo vedení aj po odstránení signálu hradla, pokiaľ prúd zostane nad prídržným prúdom.

V-I charakteristiky SCR

Charakteristika VI definuje, ako prúd zariadenia reaguje na aplikované napätie v rôznych prevádzkových oblastiach:

• Oblasť reverzného blokovania: Minimálny prúd tečie pod spätným predpätím, kým nedôjde k poruche.

• Oblasť dopredného blokovania: Napätie v priamom smere sa zvyšuje, ale prúd zostáva nízky, kým sa nedosiahne priebežné napätie (VBO).

• Oblasť dopredného vedenia: Po spustení hradlovým impulzom SCR rýchlo prejde do stavu zapnutého s nízkym odporom s malým poklesom napätia (1–2V).

Zvyšujúci sa hradlový prúd posúva dopredné priepadkové napätie nižšie, čo umožňuje skoršie zapnutie. To je užitočné v fázovo riadených obvodoch striedavého prúdu.

Spínacie charakteristiky SCR

Spínacie charakteristiky popisujú správanie SCR počas prechodov medzi stavmi OFF a ON:

• Čas zapnutia (tona): Čas potrebný na úplné prepnutie SCR z OFF na ON po impulze brány. Skladá sa z času oneskorenia, času nábehu a času šírenia. Rýchlejšie zapnutie zaisťuje efektívne prepínanie v meničoch a meničoch.

• Čas vypnutia (tq): Po zastavení vedenia potrebuje SCR čas na opätovné získanie schopnosti blokovania dopredu vďaka uloženým nosičom náboja. Toto oneskorenie je žiadané vo vysokofrekvenčných aplikáciách a v jednosmerných systémoch sú potrebné externé komutačné obvody.

Typy SCR

SCR sú dostupné v rôznych konštrukčných štýloch a výkonnostných triedach, aby spĺňali požiadavky rôznych napäťových, prúdových a spínacích aplikácií. Nižšie sú uvedené hlavné typy SCR vysvetlené bez použitia formátu tabuľky, ako sa požaduje.

Diskrétny plast SCR

Ide o malý SCR s nízkou spotrebou energie, ktorý sa zvyčajne balí v puzdrách TO-92, TO-126 alebo TO-220. Je ekonomický a bežne sa používa v slaboprúdových elektronických obvodoch. Tieto SCR sú ideálne pre jednoduché prepínanie striedavého prúdu, riadiace systémy s nízkou spotrebou energie, stmievače svetla a obvody nabíjačky batérií.

Plastový modul SCR

Tento typ je určený na manipuláciu so stredným až vysokým prúdom. Je uzavretý v kompaktnom plastovom module, ktorý poskytuje elektrickú izoláciu a jednoduchú montáž. Tieto SCR sú široko používané v systémoch UPS, priemyselných riadiacich jednotkách výkonu, zváracích strojoch a regulátoroch otáčok motora.

Tlačový balík SCR

Press pack SCR sú odolné zariadenia zabudované v robustnom kovovom obale podobnom disku. Ponúkajú vynikajúci tepelný výkon a vysokú prúdovú schopnosť a nevyžadujú spájkovanie. Namiesto toho sú pod tlakom upnuté medzi chladiče, vďaka čomu sú vhodné pre vysoko spoľahlivé aplikácie, ako sú priemyselné pohony, trakčné systémy, prenos energie HVDC a elektrické siete.

Rýchle prepínanie SCR

Rýchle prepínanie SCR, tiež nazývané SCR invertorovej kvality, sú určené pre obvody, ktoré pracujú na vyšších frekvenciách. Majú krátky čas vypnutia a znížené spínacie straty v porovnaní so štandardnými SCR. Tieto zariadenia sa bežne používajú v chopperoch, DC-DC meničoch, vysokofrekvenčných meničoch a pulzných napájacích zdrojoch.

Metódy zapnutia SCR

Rôzne spôsoby, ako spustiť SCR do vedenia, zahŕňajú:

Spúšťanie brány (najbežnejšie): Impulz brány s nízkym výkonom kontrolovane zapína SCR. Používa sa vo väčšine priemyselných aplikácií.

Spúšťanie dopredného napätia: Ak dopredné napätie prekročí prerušovacie napätie, SCR sa zapne bez hradlového impulzu, ktorému sa vo všeobecnosti vyhnete kvôli namáhaniu zariadenia.

Tepelné spustenie (nežiaduce): Nadmerná teplota môže neúmyselne spustiť vedenie; Je potrebné zabrániť nesprávnemu chladeniu.

Spúšťanie svetlom (LASCR): Svetlo citlivé SCR využívajú fotóny na spustenie vedenia vo vysokonapäťových izolačných aplikáciách.

Spúšťanie dv/dt (nežiaduce): Rýchly nárast napätia v priepustnom smere môže spôsobiť náhodné zapnutie v dôsledku kapacity spoja. Tlmiace obvody tomu zabraňujú.

Výhody a obmedzenia SCR

Výhody SCR

• Manipulácia s vysokým výkonom a napätím: SCR sú schopné riadiť veľké množstvo energie, často v rozsahu stoviek až tisícov voltov a ampérov, vďaka čomu sú vhodné pre ťažké priemyselné aplikácie, ako sú motorové pohony, HVDC prevodovky a výkonové meniče.

• Vysoká účinnosť a nízke straty vedenia: Po zapnutí SCR vedie s veľmi malým poklesom napätia (zvyčajne 1–2 volty), čo vedie k nízkemu stratovému výkonu a vysokej prevádzkovej účinnosti.

• Požiadavka na malý prúd brány: Zariadenie potrebuje na zapnutie iba malý spúšťací prúd na svorke brány, čo umožňuje jednoduchým riadiacim obvodom s nízkym výkonom spínať záťaže s vysokým výkonom.

• Robustná konštrukcia a nákladovo efektívny dizajn: SCR sú mechanicky robustné, tepelne stabilné a navrhnuté tak, aby odolali vysokým rázovým prúdom. Ich jednoduchá vnútorná štruktúra ich tiež robí relatívne lacnými v porovnaní s inými výkonovými polovodičovými spínačmi.

• Vhodné na riadenie striedavého prúdu: Pretože SCR sa prirodzene vypínajú, keď striedavý prúd prekročí nulu (prirodzená komutácia), sú ideálne pre aplikácie riadenia fázy striedavého prúdu, ako sú stmievače svetla, regulátory ohrievačov a regulátory striedavého napätia.

Obmedzenia SCR

• Jednosmerné vedenie: SCR vedie prúd iba v smere dopredu. Nemôže účinne blokovať spätný prúd, pokiaľ sa nepoužíva s ďalšími komponentmi, ako sú diódy, čo obmedzuje jeho použitie v niektorých riadiacich obvodoch striedavého prúdu.

• Nedá sa vypnúť pomocou svorky brány: Aj keď je možné SCR spustiť cez bránu, nereaguje na žiadny signál brány na vypnutie. Prúd musí klesnúť pod prídržný prúd alebo sa musí v jednosmerných obvodoch použiť technika nútenej komutácie.

• Vyžaduje komutačné obvody v aplikáciách jednosmerného prúdu: V čisto jednosmerných obvodoch SCR nedostane nulový bod prirodzeného prúdu na vypnutie. Sú potrebné externé komutačné obvody, ktoré zvyšujú zložitosť a náklady obvodu.

• Obmedzená rýchlosť prepínania: SCR sú relatívne pomalé v porovnaní s modernými polovodičovými prepínačmi, ako sú MOSFETy alebo IGBT. To ich robí nevhodnými pre vysokofrekvenčné spínacie aplikácie.

• Citlivé na vysoké dv/dt a prepätie: Rýchly nárast napätia na SCR alebo nadmerné prechodné napätie môže vyvolať falošné zapnutie, čo ovplyvní spoľahlivosť. Na zabránenie vynechaniu a zlyhaniu zariadenia sú potrebné tlmiace obvody a správne ochranné komponenty.

Aplikácie SCR

• Riadené usmerňovače (meniče striedavého prúdu na jednosmerný prúd) – používajú sa pri nabíjaní batérií a variabilných jednosmerných zdrojoch.

• Regulátory striedavého napätia – Stmievače svetla, ovládače otáčok ventilátora a regulátory ohrievača.

• Regulácia otáčok jednosmerného motora – používa sa v jednosmerných pohonoch s premenlivými otáčkami.

• Invertory a meniče – Na premenu jednosmerného prúdu na striedavý prúd.

• Prepäťová ochrana (páčidlové obvody) – Chráni napájacie zdroje pred prepätím.

• Statické spínače / polovodičové relé – rýchle spínanie bez mechanického opotrebovania.

• Regulátory výkonu – Používa sa v indukčnom ohreve a priemyselných peciach.

• Softštartéry pre motory – Riadi zapínací prúd počas štartovania motora.

• Systémy prenosu energie – používajú sa v systémoch HVDC (vysokonapäťový jednosmerný prúd).

Porovnanie SCR vs GTO

Gate Turn-Off Thyristor (GTO) je ďalším členom rodiny tyristorov a často sa porovnáva s SCR.

Testovanie SCR pomocou ohmmetra

Pred inštaláciou SCR do napájacieho obvodu je dôležité overiť, či je elektricky zdravý. Chybný SCR môže spôsobiť skrat alebo poruchu celého systému. Základné testovanie je možné vykonať pomocou digitálneho alebo analógového multimetra spolu s malým jednosmerným napájaním na spustenie overenia.

1 Test prechodu od brány ku katóde

Tie kontrolujú, či sa križovatka brány správa ako dióda.

• Nastavte multimeter do režimu testovania diód

• Pripojte kladnú (+) sondu k hradlu (G) a zápornú (–) sondu ku katóde (K). Normálna hodnota ukazuje pokles napätia medzi 0.5 V a 0.7 V

• Otočte sondy (+ na K, – na G). Merač by mal ukazovať OL (otvorená slučka) alebo veľmi vysoký odpor

Test blokovania anódy na katódu

Tým sa zabezpečí, že SCR nebude vnútorne skratovaný.

• Udržujte multimeter v režime diódy alebo odporu

• Pripojte + sondu k anóde (A) a – sondu ku katóde (K). SCR by mal blokovať prúd a vykazovať prerušený obvod (bez vedenia)

• Otočte sondy (+ na K, – na A). Čítanie by malo byť stále otvorený obvod

Test spúšťania (blokovania) SCR

To potvrdzuje, či sa SCR môže správne zapnúť a zablokovať.

• Použite 6V alebo 9V batériu s odporom 1kΩ v sérii

• Pripojte batériu + k anóde (A) a batériu – ku katóde (K)

• Krátko pripojte bránu (G) k anóde cez rezistor 100–220 Ω. SCR by sa mal zapnúť a zablokovať, aby umožnil prúd aj po odstránení pripojenia brány.

• Ak ho chcete vypnúť, odpojte napájanie – SCR sa uvoľní

Záver

Kremíkový riadený usmerňovač zostáva kľúčovým komponentom v systémoch riadenia výkonu vďaka svojej účinnosti, vysokej spoľahlivosti a schopnosti zvládnuť veľké elektrické zaťaženie. Od regulácie striedavého napätia až po riadenie jednosmerného motora a priemyselné konverzné systémy, SCR naďalej zohrávajú dôležitú úlohu v elektrotechnike. Pevné pochopenie základov SCR pomáha pri navrhovaní bezpečných a efektívnych výkonových elektronických obvodov.

Často kladené otázky [FAQ]

Aký je rozdiel medzi SCR a TRIAC?

TRIAC môže viesť prúd v oboch smeroch a používa sa v aplikáciách riadenia striedavého prúdu, ako sú stmievače a regulátory ventilátorov. SCR vedie prúd iba v jednom smere a používa sa hlavne na riadenie alebo usmerňovanie jednosmerného prúdu.

Prečo SCR potrebuje komutačný obvod?

V obvodoch jednosmerného prúdu sa SCR nemôže vypnúť iba pomocou svorky hradla. Komutačný obvod núti prúd klesnúť pod prídržný prúd, čo pomáha SCR bezpečne vypnúť.

Čo spôsobuje zlyhanie SCR?

Porucha SCR je zvyčajne spôsobená prepätím, vysokým rázovým prúdom, nesprávnym odvodom tepla alebo falošným prepínaním vyvolaným DV/DT. Používanie tlmičov a chladičov pomáha predchádzať poruchám.

Môže SCR ovládať striedavý prúd?

Áno, SCR môžu ovládať striedavý prúd pomocou regulácie fázového uhla. Oneskorením uhla zapálenia hradlového signálu počas každého cyklu striedavého prúdu je možné upraviť výstupné napätie a výkon dodávaný do záťaže.

Aký je prídržný prúd v SCR?

Prídržný prúd je minimálny prúd potrebný na udržanie SCR v zapnutom stave. Ak prúd klesne pod túto úroveň, SCR sa automaticky vypne, aj keď bol predtým spustený.