Křemíkem řízený usměrňovač (SCR) – práce, konstrukce, metody spouštění, typy a aplikace

Křemíkem řízený usměrňovač (SCR) je klíčové výkonové polovodičové zařízení široce používané pro řízení vysokého napětí a proudu v elektrických a průmyslových systémech. Díky své schopnosti efektivně spínat a regulovat výkon je užitečný v měničích, motorových pohonech a automatizačních obvodech. Tento článek vysvětluje konstrukci SCR, pracovní princip, charakteristiky, typy a praktické aplikace jasným a strukturovaným způsobem.

Bod 3. Provoz SCR

Bod 4. V-I charakteristiky SCR

Bod 5. Spínací charakteristiky SCR

Kapitola 10. Srovnání SCR vs GTO

Kapitola 11. Testování SCR pomocí ohmmetru

Č. 12. Závěr

Č. 13. Často kladené dotazy [FAQ]

Co je křemíkem řízený usměrňovač (SCR)?

Křemíkem řízený usměrňovač (SCR) je třísvorkové výkonové polovodičové zařízení používané k řízení a spínání vysokého napětí a proudu v elektrických obvodech. Je členem rodiny tyristorů a má čtyřvrstvou strukturu PNPN. Na rozdíl od jednoduché diody umožňuje SCR řízené spínání, protože se zapne pouze při přiložení spouštěcího signálu brány. Je široce používán v AC/DC měničích, motorových pohonech, nabíječkách baterií a průmyslové automatizaci díky své vysoké schopnosti manipulace s výkonem a účinnosti.

Konstrukce a symbol SCR

Křemíkem řízený usměrňovač (SCR) je vyroben ze čtyř alternativních vrstev polovodičových materiálů typu P a N, které tvoří strukturu PNPN se třemi přechody: J1, J2 a J3. Má tři svorky:

• Anoda (A): Připojeno k vnější P-vrstvě

• Katoda (K): Připojeno k vnější N-vrstvě

• Brána (G): Připojeno k vnitřní P-vrstvě a používá se pro spouštění

Mezinárodně lze SCR modelovat jako dva vzájemně propojené tranzistory – jeden PNP a jeden NPN – tvořící regenerativní zpětnovazební smyčku. Tato vnitřní struktura vysvětluje chování blokování SCR, kdy pokračuje v chování i po odstranění signálu brány.

Symbol SCR připomíná diodu, ale obsahuje hradlovou svorku pro ovládání. Proud protéká od anody ke katodě, když je zařízení spuštěno přes bránu.

Provoz SCR

SCR pracuje ve třech elektrických stavech na základě napětí anoda-katoda a signálu hradla:

Režim zpětného blokování

Když je anoda vzhledem ke katodě záporná, spoje J1 a J3 jsou zpětně předpjaté. Protéká pouze malý svodový proud. Překročení limitu zpětného napětí může poškodit zařízení.

Režim dopředného blokování (stav VYPNUTO)

S kladnou anodou a katodou zápornou jsou spoje J1 a J3 předpjaté, zatímco J2 je předpjatý. SCR zůstává v tomto stavu vypnutý, i když je přivedeno napětí v propustném směru, což zabraňuje toku proudu, dokud není poskytnuta spouštěcí událost.

Režim dopředného vedení (stav ZAPNUTO)

Použití hradlového pulzu v dopředném předpětí vstříkne nosiče tohoto předpětí J2, což umožňuje vedení. Jakmile je SCR zapnutý, zablokuje se a pokračuje v chování i po odstranění signálu hradla, dokud proud zůstane nad přídržným proudem.

V-I charakteristiky SCR

Charakteristika VI definuje, jak proud zařízení reaguje na aplikované napětí v různých provozních oblastech:

• Oblast zpětného blokování: Minimální proud protéká pod reverzním předpětím, dokud nedojde k poruše.

• Oblast dopředného blokování: Napětí v propustném směru se zvyšuje, ale proud zůstává nízký, dokud není dosaženo průrazného napětí (VBO).

• Oblast dopředného vedení: Po spuštění hradlovým impulsem SCR rychle přejde do stavu zapnuto s nízkým odporem s malým poklesem napětí v propustném směru (1–2 V).

Zvyšující se proud hradla posouvá propustné průrazné napětí níže, což umožňuje dřívější zapnutí. To je užitečné ve fázově řízených střídavých obvodech.

Spínací charakteristiky SCR

Spínací charakteristiky popisují chování SCR při přechodech mezi stavy OFF a ON:

• Doba zapnutí (tuny): Doba potřebná k tomu, aby se SCR po impulsu brány plně přepnul z OFF na ON. Skládá se z doby zpoždění, doby náběhu a doby šíření. Rychlejší zapnutí zajišťuje efektivní spínání v měničích a měničích.

• Doba vypnutí (tq): Po zastavení vedení potřebuje SCR čas, aby znovu získal svou schopnost dopředného blokování kvůli uloženým nosičům náboje. Toto zpoždění je požadováno ve vysokofrekvenčních aplikacích a ve stejnosměrných systémech jsou vyžadovány externí komutační obvody.

Typy SCR

SCR jsou k dispozici v různých konstrukčních stylech a výkonnostních třídách, aby splňovaly požadavky různých napěťových, proudových a spínacích aplikací. Níže jsou vysvětleny hlavní typy SCR bez použití formátu tabulky, jak bylo požadováno.

Diskrétní plast SCR

Jedná se o malý SCR s nízkou spotřebou energie, který je obvykle zabalen v pouzdrech TO-92, TO-126 nebo TO-220. Je ekonomický a běžně se používá v nízkonapěťových elektronických obvodech. Tyto SCR jsou ideální pro jednoduché spínání střídavého proudu, řídicí systémy s nízkou spotřebou, stmívače světla a obvody nabíječky baterií.

Plastový modul SCR

Tento typ je určen pro manipulaci se středním až vysokým proudem. Je uzavřen v kompaktním plastovém modulu, který zajišťuje elektrickou izolaci a snadnou montáž. Tyto SCR jsou široce používány v systémech UPS, průmyslových řídicích jednotkách výkonu, svařovacích strojích a regulátorech otáček motorů.

Tiskový balíček SCR

SCR pro lisování jsou vysoce výkonná zařízení zabudovaná v robustním kovovém obalu podobném disku. Nabízejí vynikající tepelný výkon a vysokou proudovou schopnost a nevyžadují pájení. Místo toho jsou upnuty mezi chladiče pod tlakem, takže jsou vhodné pro vysoce spolehlivé aplikace, jako jsou průmyslové pohony, trakční systémy, přenos energie HVDC a elektrické sítě.

Rychlé přepínání SCR

Rychle přepínací SCR, nazývané také SCR na úrovni invertoru, jsou navrženy pro obvody, které pracují na vyšších frekvencích. Mají krátkou dobu vypnutí a snížené spínací ztráty ve srovnání se standardními SCR. Tato zařízení se běžně používají v chopperech, DC–DC měničích, vysokofrekvenčních měničích a pulzních napájecích zdrojích.

Zapínací metody SCR

Mezi různé způsoby, jak spustit SCR do vedení, patří:

Spouštění brány (nejběžnější): Hradlový impuls s nízkou spotřebou zapíná SCR řízeným způsobem. Používá se ve většině průmyslových aplikací.

Spouštění dopředného napětí: Pokud dopředné napětí překročí přestávkové napětí, SCR se zapne bez hradlového impulsu, čemuž se obecně vyhýbá kvůli namáhání zařízení.

Tepelné spouštění (nežádoucí): Nadměrná teplota může neúmyslně spustit vedení; Je třeba se vyvarovat nesprávného chlazení.

Spouštění světlem (LASCR): Světlocitlivé SCR používají fotony ke spuštění vedení ve vysokonapěťových izolačních aplikacích.

Spouštění dv/dt (nežádoucí): Rychlý nárůst napětí v propustném směru může způsobit náhodné zapnutí v důsledku kapacity přechodu. Tomu zabraňují odlehčovací obvody.

Výhody a omezení SCR

Výhody SCR

• Vysoký výkon a manipulace s napětím: SCR jsou schopny řídit velké množství energie, často v rozsahu stovek až tisíců voltů a ampérů, takže jsou vhodné pro těžké průmyslové aplikace, jako jsou motorové pohony, HVDC přenos a měniče energie.

• Vysoká účinnost a nízké ztráty vedení: Po zapnutí vede SCR s velmi malým poklesem napětí (obvykle 1–2 volty), což má za následek nízké ztrátové napětí a vysokou provozní účinnost.

• Malý požadavek na proud brány: Zařízení potřebuje k zapnutí pouze malý spouštěcí proud na svorce brány, což umožňuje jednoduchým řídicím obvodům s nízkou spotřebou spínat zátěže s vysokým výkonem.

• Robustní konstrukce a nákladově efektivní design: SCR jsou mechanicky robustní, tepelně stabilní a navržené tak, aby vydržely vysoké rázové proudy. Díky jejich jednoduché vnitřní struktuře jsou také relativně levné ve srovnání s jinými výkonovými polovodičovými spínači.

• Vhodné pro řízení střídavého napájení: Protože se SCR přirozeně vypnou, když střídavý proud překročí nulu (přirozená komutace), jsou ideální pro aplikace řízení fáze střídavého proudu, jako jsou stmívače světla, ovladače topení a regulátory střídavého napětí.

Omezení SCR

• Jednosměrné vedení: SCR vede proud pouze v dopředném směru. Nemůže účinně blokovat zpětný proud, pokud není použit s dalšími součástmi, jako jsou diody, což omezuje jeho použití v některých řídicích obvodech střídavého proudu.

• Nelze vypnout pomocí svorky brány: I když lze SCR spustit přes bránu, nereaguje na žádný signál brány pro vypnutí. Proud musí klesnout pod přídržný proud nebo musí být ve stejnosměrných obvodech použita technika nucené komutace.

• Vyžaduje komutační obvody ve stejnosměrných aplikacích: V čistých stejnosměrných obvodech nedosáhne SCR přirozeného nulového bodu proudu pro vypnutí. Jsou zapotřebí externí komutační obvody, což zvyšuje složitost obvodu a náklady.

• Omezená rychlost spínání: SCR jsou relativně pomalé ve srovnání s moderními polovodičovými spínači, jako jsou MOSFETy nebo IGBT. Díky tomu jsou nevhodné pro vysokofrekvenční spínací aplikace.

• Citlivý na podmínky vysokého dv/dt a přepětí: Rychlý nárůst napětí přes SCR nebo nadměrné přechodové napětí může vyvolat falešné zapnutí, což ovlivňuje spolehlivost. Aby se zabránilo vynechání zapalování a selhání zařízení, jsou vyžadovány odlehčovací obvody a správné ochranné součásti.

Aplikace SCR

• Řízené usměrňovače (měniče střídavého proudu na stejnosměrný) – používají se při nabíjení baterií a variabilních stejnosměrných zdrojích.

• Regulátory střídavého napětí – Stmívače světla, regulátory otáček ventilátorů a regulátory topení.

• Regulace otáček stejnosměrného motoru – Používá se u stejnosměrných pohonů s proměnnými otáčkami.

• Střídače a konvertory – pro přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý.

• Přepěťová ochrana (obvody páčidla) – Chrání napájecí zdroje před přepětím.

• Statické spínače / polovodičová relé – rychlé spínání bez mechanického opotřebení.

• Regulátory výkonu – používají se v indukčním ohřevu a průmyslových pecích.

• Softstartéry pro motory – Regulují rozběhový proud při startu motoru.

• Systémy přenosu energie – používají se v systémech HVDC (vysokonapěťový stejnosměrný proud).

Srovnání SCR vs GTO

Hradlový vypínací tyristor (GTO) je dalším členem rodiny tyristorů a je často srovnáván s SCR.

Testování SCR ohmmetrem

Před instalací SCR do napájecího obvodu je důležité ověřit, zda je elektricky zdravý. Vadný SCR může způsobit zkrat nebo selhání celého systému. Základní testování lze provést pomocí digitálního nebo analogového multimetru spolu s malým stejnosměrným zdrojem pro spuštění ověření.

1 Test přechodu mezi bránou a katodou

Ty kontrolují, zda se přechod brány chová jako dioda.

• Nastavte multimetr do režimu testování diod

• Připojte kladnou (+) sondu k bráně (G) a zápornou (–) sondu ke katodě (K). Normální odečet ukazuje pokles napětí v propustném směru mezi 0,5 V a 0,7 V

• Otočte sondy (+ na K, – na G). Měřič by měl ukazovat OL (otevřená smyčka) nebo velmi vysoký odpor

Test blokování anody na katodu

Tím je zajištěno, že SCR není interně zkratován.

• Udržujte multimetr v diodovém režimu nebo odporovém režimu

• Připojte + sondu k anodě (A) a – sondu ke katodě (K). SCR by měl blokovat proud a vykazovat přerušený obvod (bez vedení)

• Otočte sondy (+ až K, – až A). Čtení by mělo být stále v otevřeném okruhu

Test spouštění (západky) SCR

Tím se potvrdí, zda se SCR může správně zapnout a zablokovat.

• Použijte 6V nebo 9V baterii s odporem 1kΩ v sérii

• Připojte baterii + k anodě (A) a baterii – ke katodě (K)

• Krátce připojte bránu (G) k anodě přes odpor 100–220Ω. SCR by se měl zapnout a zazápadit, což umožní, aby proud protékal i po odstranění připojení brány.

• Chcete-li jej vypnout, odpojte napájení – SCR se uvolní

Závěr

Křemíkem řízený usměrňovač zůstává klíčovou součástí systémů řízení napájení díky své účinnosti, vysoké spolehlivosti a schopnosti zvládnout velké elektrické zátěže. Od regulace střídavého napětí až po řízení stejnosměrných motorů a průmyslové konverzní systémy, SCR nadále hrají zásadní roli v elektrotechnice. Dobrá znalost základů SCR pomáhá při navrhování bezpečných a efektivních výkonových elektronických obvodů.

Často kladené dotazy [FAQ]

Jaký je rozdíl mezi SCR a TRIAC?

TRIAC může vést proud v obou směrech a používá se v aplikacích řízení střídavého proudu, jako jsou stmívače a regulátory ventilátorů. SCR vede proud pouze v jednom směru a používá se hlavně pro stejnosměrné řízení nebo usměrnění.

Proč SCR potřebuje komutační obvod?

Ve stejnosměrných obvodech nelze SCR vypnout pouze pomocí svorky brány. Komutační obvod nutí proud klesnout pod přídržný proud, což pomáhá SCR bezpečně vypnout.

Co způsobuje selhání SCR?

Selhání SCR je obvykle způsobeno přepětím, vysokým rázovým proudem, nesprávným odvodem tepla nebo falešným spínáním spouštěným DV/DT. Použití odlehčovacích obvodů a chladičů pomáhá předcházet selhání.

Může SCR řídit napájení střídavým proudem?

Ano, SCR mohou řídit střídavý proud pomocí řízení fázového úhlu. Zpožděním úhlu vystřelení signálu hradla během každého střídavého cyklu lze upravit výstupní napětí a výkon dodávaný do zátěže.

Jaký je přídržný proud v SCR?

Udržovací proud je minimální proud potřebný k udržení SCR v zapnutém stavu. Pokud proud klesne pod tuto úroveň, SCR se automaticky vypne, i když byl dříve spuštěn.