Введение
Четырехслойное устройство управления током в твердом состоянии
A silicon controlled rectifier or semiconductor controlled rectifier is a four layer solid state current controlling device. The name "silicon controlled rectifier" is General Electric's trade name for a type of thyristor. The principle of four layer p–n–p–n switching was developed by Moll, Tanenbaum, Goldey, and Holonyak of Bell Laboratories in 1956. The practical demonstration of silicon controlled switching and detailed theoretical behavior of a device in agreement with the experimental results was presented by Dr Ian M. Mackintosh of Bell Laboratories in January 1958. The SCR was developed by a team of power engineers led by Gordon Hall
and commercialized by Frank W. "Bill" Gutzwiller in 1957. Some sources define silicon controlled rectifiers and thyristors as synonymous while other sources define silicon controlled rectifiers as a proper subset of the set of thyristors; the latter being devices with at least four layers of alternating n and p type material. According to Bill Gutzwiller, the terms "SCR" and "controlled rectifier" were earlier, and "thyristor" was applied later, as usage of the device spread internationally. SCRs are unidirectional devices (i. e. can conduct current only in one direction) as opposed to TRIACs, which are bidirectional (i. e. charge carriers can flow through them in either direction). SCRs can be triggered normally only by a positive current going into the gate as opposed to TRIACs, which can be triggered normally by either a positive or a negative current applied to its gate electrode.
Кремниевый управляемый выпрямитель или полупроводниковый управляемый выпрямитель – это четырехслойное устройство управления током в твердом состоянии. Название "кремниевый управляемый выпрямитель" является торговой маркой General Electric для типа тиристора. Принцип четырехслойного переключения p–n–p–n был разработан Моллом, Таненбаумом, Голдеем и Холоняком из лабораторий Белла в 1956 году. Практическая демонстрация управляемого кремнием переключения и детальное теоретическое описание работы устройства, согласующееся с экспериментальными результатами, было представлено доктором Ианом М. Маккинтошем из лабораторий Белла в январе 1958 года. SCR был разработан командой инженеров-энергетиков под руководством Гордона Холла и коммерциализирован Фрэнком В. "Биллом" Гутцвиллером в 1957 году. Некоторые источники определяют кремниевые управляемые выпрямители и тиристоры как синонимы, в то время как другие определяют кремниевые управляемые выпрямители как собственное подмножество множества тиристоров; последние представляют собой устройства, содержащие как минимум четыре слоя чередующегося n- и p-типа материала. По словам Билла Гутцвиллера, термины "SCR" и "управляемый выпрямитель" использовались ранее, а термин "тиристор" был применен позднее, по мере распространения использования устройства на международном уровне. SCR – это однонаправленные устройства (то есть могут проводить ток только в одном направлении), в отличие от TRIAC, которые являются двунаправленными (то есть носители заряда могут протекать через них в обоих направлениях). SCR могут быть активированы только положительным током, поступающим на управляющий электрод, в отличие от TRIAC, которые могут быть активированы как положительным, так и отрицательным током, подаваемым на управляющий электрод.
A silicon controlled rectifier or semiconductor controlled rectifier is a four layer solid state current controlling device. The name "silicon controlled rectifier" is General Electric's trade name for a type of thyristor. The principle of four layer p–n–p–n switching was developed by Moll, Tanenbaum, Goldey, and Holonyak of Bell Laboratories in 1956. The practical demonstration of silicon controlled switching and detailed theoretical behavior of a device in agreement with the experimental results was presented by Dr Ian M. Mackintosh of Bell Laboratories in January 1958. The SCR was developed by a team of power engineers led by Gordon Hall
and commercialized by Frank W. "Bill" Gutzwiller in 1957. Some sources define silicon controlled rectifiers and thyristors as synonymous while other sources define silicon controlled rectifiers as a proper subset of the set of thyristors; the latter being devices with at least four layers of alternating n and p type material. According to Bill Gutzwiller, the terms "SCR" and "controlled rectifier" were earlier, and "thyristor" was applied later, as usage of the device spread internationally. SCRs are unidirectional devices (i. e. can conduct current only in one direction) as opposed to TRIACs, which are bidirectional (i. e. charge carriers can flow through them in either direction). SCRs can be triggered normally only by a positive current going into the gate as opposed to TRIACs, which can be triggered normally by either a positive or a negative current applied to its gate electrode.
Режим блокировки вперед
В этом режиме работы аноду (+, p-область) подается положительное напряжение, а катоду (-, n-область) – отрицательное, при этом затвор поддерживается на нулевом (0) потенциале, то есть отключен. В этом случае переходы J1 и J3 находятся в прямом смещении, а J2 – в обратном, что позволяет протекать лишь небольшому току утечки от анода к катоду. Когда приложенное напряжение достигает напряжения пробоя для J2, происходит лавинный пробой J2. При этом напряжении пробоя J2 начинает проводить ток, но ниже напряжения пробоя J2 обладает очень высоким сопротивлением, и SCR считается находящимся в выключенном состоянии.
Режим обратной блокировки
Когда отрицательное напряжение подается на анод, а положительное – на катод, SCR находится в режиме обратной блокировки, при этом переходы J1 и J3 оказываются смещенными в обратном направлении, а J2 – в прямом. Устройство ведет себя как два диода, соединенных последовательно. Протекает небольшой ток утечки. Это и есть режим обратной блокировки. Если обратное напряжение увеличивается, то при критическом уровне пробоя, называемом обратным напряжением пробоя (VBR), на переходах J1 и J3 происходит лавинный пробой, и обратный ток быстро возрастает. Существуют SCR с возможностью обратной блокировки, что увеличивает падение напряжения в прямом направлении из-за необходимости иметь длинную, слаболегированную область P1. Как правило, номинальное обратное напряжение и номинальное прямое напряжение равны. Типичным применением SCR с обратной блокировкой являются инверторы тока. SCR, не способный блокировать обратное напряжение, называется асимметричным SCR, сокращенно ASCR. Обычно его обратное напряжение пробоя составляет десятки вольт. ASCR используются там, где параллельно применяется обратный диод (например, в инверторах напряжения) или где обратное напряжение никогда не возникает (например, в импульсных источниках питания или тяговых преобразователях постоянного тока). Асимметричные SCR могут быть изготовлены с интегрированным обратным диодом в одном корпусе. Они известны как РКИ – тиристоры с обратной проводимостью.
Простая схема SCR
Простая схема с тиристором (SCR) может быть проиллюстрирована использованием источника переменного напряжения, подключенного к тиристору с резистивной нагрузкой. Без подачи импульса тока на управляющий электрод тиристора, тиристор остается в состоянии блокировки в прямом направлении. Это делает начало проводимости тиристора управляемым. Угол задержки α, определяемый моментом подачи импульса тока на управляющий электрод относительно момента естественного включения (ωt = 0), управляет началом проводимости. После того, как тиристор начинает проводить ток, он не выключается, пока ток через тиристор не станет отрицательным. Ток остается равным нулю до тех пор, пока не будет подан новый импульс на управляющий электрод, и тиристор снова не начнет проводить.
Приложения
SCR в основном используются в устройствах, где требуется управление большой мощностью, возможно, в сочетании с высоким напряжением. Их характеристики делают их пригодными для применения в схемах управления питанием переменного тока среднего и высокого напряжения, таких как диммирование ламп, регуляторы мощности и управление двигателями. SCR и аналогичные устройства используются для выпрямления мощного переменного тока в высоковольтных системах передачи электроэнергии постоянным током. Они также применяются в управлении сварочными аппаратами, в основном для газовольфрамовой дуговой сварки и подобных процессов. SCR используются в качестве электронного переключателя в различных устройствах. В ранних твердотельных пинбольных автоматах они использовались для электронного управления освещением, соленоидами и другими функциями вместо механических, отсюда и название "твердотельные". Другие области применения включают в себя схемы коммутации мощности, управляемые выпрямители, регулирование скорости двигателей постоянного тока с шунтовой обмоткой, схемы защиты от перенапряжения на основе SCR, логические схемы компьютеров, схемы синхронизации и инверторы.
Сравнение с SCS
Кремниевый управляемый переключатель (SCS) ведет себя почти так же, как SCR, но имеет несколько отличий. В отличие от SCR, SCS выключается при подаче положительного напряжения или входного тока на второй анодный вывод управления. В отличие от SCR, SCS может быть включен в проводящее состояние при подаче отрицательного напряжения или выходного тока на тот же вывод. SCS полезны практически во всех схемах, где требуется переключатель, который включается и выключается двумя различными управляющими импульсами. Это включает в себя схемы коммутации мощности, логические схемы, драйверы ламп и счетчики.
По сравнению с TRIAC
TRIAC похож на SCR тем, что оба действуют как электрически управляемые переключатели. В отличие от SCR, TRIAC может проводить ток в обоих направлениях. Таким образом, TRIAC особенно полезны для применения в цепях переменного тока. У TRIAC три вывода: управляющий вывод и два основных вывода, обозначаемые как MT1 и MT2. Если на управляющий вывод не подается ток или напряжение, TRIAC остается выключенным. С другой стороны, при подаче управляющего напряжения на управляющий вывод, TRIAC включается. TRIAC подходят для схем диммирования освещения, схем фазового регулирования, схем коммутации питания переменного тока, схем управления двигателями переменного тока и т.д.