Räni juhitav alaldi (SCR) on peamine võimsuspooljuhtseade, mida kasutatakse laialdaselt kõrgepinge ja voolu juhtimiseks elektri- ja tööstussüsteemides. Selle võime võimsust tõhusalt lülitada ja reguleerida muudab selle kasulikuks muundurites, mootoriajamites ja automaatikaahelates. See artikkel selgitab SCR-i ehitust, tööpõhimõtet, omadusi, tüüpe ja praktilisi rakendusi selgelt ja struktureeritult.
Mis on räni juhitav alaldi (SCR)?
Räni juhitav alaldi (SCR) on kolme klemmiga võimsuspooljuhtseade, mida kasutatakse kõrgepinge ja voolu juhtimiseks ja lülitamiseks elektriahelates. See kuulub türistorite perekonda ja sellel on neljakihiline PNPN-struktuur. Erinevalt lihtsast dioodist võimaldab SCR kontrollitud ümberlülitamist, kuna see lülitub sisse ainult värava päästikusignaali rakendamisel. Seda kasutatakse laialdaselt vahelduvvoolu/alalisvoolu muundurites, mootoriajamites, akulaadijates ja tööstusautomaatikas tänu oma suurele võimsuse käitlemise võimele ja tõhususele.
SCR-i konstruktsioon ja sümbol
Räni juhitav alaldi (SCR) on ehitatud neljast alternatiivsest P-tüüpi ja N-tüüpi pooljuhtmaterjalide kihist, moodustades PNPN-struktuuri kolme ristmikuga: J1, J2 ja J3. Sellel on kolm terminali:
• Anood (A): ühendatud välimise P-kihiga
• Katood (K): ühendatud välimise N-kihiga
• Värav (G): ühendatud sisemise P-kihiga ja kasutatakse käivitamiseks
Üldiselt saab SCR-i modelleerida kahe omavahel ühendatud transistorina – üks PNP ja üks NPN –, mis moodustavad regeneratiivse tagasisideahela. See sisemine struktuur seletab SCR-i lukustuskäitumist, kus see jätkab juhtimist ka pärast väravasignaali eemaldamist.
SCR-sümbol meenutab dioodi, kuid sisaldab juhtimiseks väravaklemmi. Vool voolab anoodilt katoodile, kui seade käivitatakse läbi värava.
SCR-i toimimine
SCR töötab kolmes elektrilises olekus, mis põhinevad anoodi-katoodi pingel ja väravasignaalil:
Tagurpidi blokeerimisrežiim
Kui anood muudetakse katoodi suhtes negatiivseks, on ristmikud J1 ja J3 vastupidiselt kallutatud. Voolab ainult väike lekkevool. Pöördpinge piirmäära ületamine võib seadet kahjustada.
Edasiliikumise blokeerimise režiim (väljalülitatud olek)
Kui anood on positiivne ja katood negatiivne, on ristmikud J1 ja J3 ettepoole kallutatud, samas kui J2 on vastupidiselt kallutatud. SCR jääb selles olekus välja lülitatud, isegi kui rakendatakse päripinget, takistades voolu kulgu kuni päästiku andmiseni.
Edasijuhtivusrežiim (ON olek)
Väravaimpulsi rakendamine ettepoole kallutatades süstib kandjatele, et ettepoole suunatud nihk ristmik J2, võimaldades juhtivust. Kui see on sisse lülitatud, lukustub SCR ja jätkab juhtimist ka pärast väravasignaali eemaldamist, kui vool jääb hoidevoolust kõrgemale.
SCR-i V-I omadused
I karakteristik määratleb, kuidas seadme vool reageerib rakendatud pingele erinevates tööpiirkondades:
• Tagurpidi blokeerimispiirkond: minimaalne vool voolab pöördnihkega kuni rikke tekkimiseni.
• Edasisuunaline blokeerimispiirkond: Päripinge suureneb, kuid vool jääb madalaks kuni edasivoolu läbilöögipinge (VBO) saavutamiseni.
• Edasijuhtivuspiirkond: Pärast väravaimpulsi käivitamist läheb SCR kiiresti madala takistusega ON-olekusse väikese päripingelangusega (1–2 V).
Väravavoolu suurendamine nihutab edasivoolu läbilöögipinget madalamale, võimaldades varasemat sisselülitamist. See on kasulik faasiga juhitavates vahelduvvooluahelates.
SCR-i lülitusomadused
Lülituskarakteristikud kirjeldavad SCR-i käitumist OFF- ja ON-olekute vahelisel üleminekul:
• Sisselülitamise aeg (tonnides): aeg, mis kulub SCR-i täielikuks lülitumiseks asendist OFF asendisse ON pärast värava impulssi. See koosneb viivitusajast, tõusuajast ja levimisajast. Kiirem sisselülitamine tagab muundurite ja inverterite tõhusa ümberlülitamise.
• Väljalülitusaeg (tq): Pärast juhtivuse peatumist vajab SCR aega, et taastada salvestatud laengukandjate tõttu ettepoole blokeerimise võime. See viivitus on kõrgsageduslikes rakendustes nõutud ja alalisvoolusüsteemides on vaja väliseid kommutatsiooniahelaid.
SCR-i tüübid
SCR-id on saadaval erinevates ehitusstiilides ja jõudlusklassides, et vastata erinevate pinge-, voolu- ja lülitusrakenduste nõuetele. Allpool on toodud peamised SCR-ide tüübid, mida selgitatakse ilma tabelivormingut kasutamata, nagu nõutud.
Diskreetne plastist SCR
See on väike väikese võimsusega SCR, mis on tavaliselt pakendatud TO-92, TO-126 või TO-220 korpustesse. See on ökonoomne ja seda kasutatakse tavaliselt nõrkvoolu elektroonikaahelates. Need SCR-id sobivad ideaalselt lihtsaks vahelduvvoolu lülituseks, väikese võimsusega juhtimissüsteemideks, valgusdimmeriteks ja akulaadija ahelateks.
Plastmoodul SCR
See tüüp on mõeldud keskmise ja suure voolu käsitlemiseks. See on suletud kompaktsesse plastmoodulisse, mis tagab elektriisolatsiooni ja lihtsa paigaldamise. Neid SCR-e kasutatakse laialdaselt UPS-süsteemides, tööstuslikes võimsuse juhtseadmetes, keevitusmasinates ja mootori kiiruse regulaatorites.
Vajutage SCR-i
Presspakendi SCR-id on vastupidavad seadmed, mis on ehitatud tugevasse metallkettataolises pakendis. Need pakuvad suurepärast soojuslikku jõudlust ja suurt vooluvõimet ning ei vaja jootmist. Selle asemel kinnitatakse need rõhu all jahutusradiaatorite vahele, muutes need sobivaks suure töökindlusega rakenduste jaoks, nagu tööstuslikud ajamid, veosüsteemid, HVDC jõuülekanne ja elektrivõrgud.
Kiire lülitus SCR
Kiiresti lülituvad SCR-id, mida nimetatakse ka inverterklassi SCR-ideks, on mõeldud kõrgematel sagedustel töötavate vooluahelate jaoks. Neil on lühike väljalülitusaeg ja väiksemad lülituskaod võrreldes tavaliste SCR-idega. Neid seadmeid kasutatakse tavaliselt hakkides, alalisvoolu-alalisvoolu muundurites, kõrgsagedusmuundurites ja impulsstoiteallikates.
SCR-i sisselülitamismeetodid
Erinevad viisid SCR-i juhtivuse käivitamiseks on järgmised:
Värava käivitamine (kõige tavalisem): Väikese võimsusega värava impulss lülitab SCR-i kontrollitud viisil sisse. Kasutatakse enamikus tööstuslikes rakendustes.
Edasipinge käivitamine: kui päripinge ületab läbilöögipinget, lülitub SCR sisse ilma väravaimpulsita, mida seadme pinge tõttu üldiselt välditakse.
Termiline vallandamine (soovimatu): liigne temperatuur võib tahtmatult juhtivust alustada; Vältida tuleb ebaõiget jahutamist.
Valguse käivitamine (LASCR): Valgustundlikud SCR-id kasutavad footoneid juhtivuse käivitamiseks kõrgepinge isolatsioonirakendustes.
dv/dt käivitamine (soovimatu): Päripinge kiire tõus võib ristmiku mahtuvuse tõttu põhjustada juhusliku sisselülitamise. Snubber-ahelad takistavad seda.
SCR-i eelised ja piirangud
SCR-i eelised
• Suure võimsuse ja pinge käitlemine: SCR-id on võimelised juhtima suuri võimsusi, sageli vahemikus sadu kuni tuhandeid volte ja ampreid, muutes need sobivaks rasketööstuslikeks rakendusteks, nagu mootoriajamid, HVDC ülekanne ja võimsusmuundurid.
• Kõrge efektiivsus ja madalad juhtivuskaod: pärast sisselülitamist juhib SCR väga väikese pingelangusega (tavaliselt 1–2 volti), mille tulemuseks on madal võimsuse hajumine ja kõrge tööefektiivsus.
• Väikese väravavoolu nõue: seade vajab sisselülitamiseks värava klemmis vaid väikest käivitusvoolu, mis võimaldab lihtsal väikese võimsusega juhtimisahelal suure võimsusega koormusi vahetada.
• Vastupidav konstruktsioon ja kulutõhus disain: SCR-id on mehaaniliselt vastupidavad, termiliselt stabiilsed ja konstrueeritud taluma suuri liigpingevoolusid. Nende lihtne sisemine struktuur muudab need ka teiste võimsuspooljuhtlülititega võrreldes suhteliselt odavaks.
• Sobib vahelduvvoolu juhtimiseks: kuna SCR-id lülituvad loomulikult välja, kui vahelduvvoolu vool ületab nulli (loomulik kommutatsioon), sobivad need ideaalselt vahelduvvoolu faasijuhtimise rakenduste jaoks, nagu valgusdimmerid, kütteseadmete kontrollerid ja vahelduvpinge regulaatorid.
SCR-i piirangud
• Ühesuunaline juhtivus: SCR juhib voolu ainult ettepoole. See ei saa pöördvoolu tõhusalt blokeerida, kui seda ei kasutata koos lisakomponentidega, nagu dioodid, piirates selle kasutamist mõnes vahelduvvoolu juhtimisahelas.
• Ei saa väravaterminali abil välja lülitada: Kuigi SCR-i saab värava kaudu SISSE lülitada, ei reageeri see ühelegi väravasignaalile väljalülitamiseks. Vool peab langema alla hoidevoolu või tuleb alalisvooluahelates kasutada sundkommutatsioonitehnikat.
• Nõuab alalisvoolurakendustes kommutatsiooniahelaid: Puhastes alalisvooluahelates ei saa SCR väljalülitamiseks loomulikku voolu nullpunkti. Vaja on väliseid kommutatsiooniahelaid, mis suurendavad vooluahela keerukust ja kulusid.
• Piiratud lülituskiirus: SCR-id on suhteliselt aeglased võrreldes tänapäevaste pooljuhtlülititega, nagu MOSFET-id või IGBT-d. See muudab need kõrgsageduslike lülitusrakenduste jaoks sobimatuks.
• Tundlik kõrge dv/dt ja ülepinge tingimuste suhtes: kiire pinge tõus SCR-is või liigne siirdepinge võib vallandada vale sisselülitamise, mis mõjutab töökindlust. Süütehäirete ja seadme rikke vältimiseks on vaja nüstolahelaid ja õigeid kaitsekomponente.
SCR-i rakendused
• Juhitavad alaldid (vahelduvvoolu-alalisvoolu muundurid) – kasutatakse aku laadimisel ja muutuvatel alalisvoolutoitel.
• Vahelduvvoolu pinge regulaatorid – valgusti dimmerid, ventilaatori kiiruse regulaatorid ja küttekeha regulaatorid.
• Alalisvoolumootori kiiruse reguleerimine – kasutatakse muutuva kiirusega alalisvooluajamites.
• Inverterid ja muundurid – alalisvoolu vahelduvvoolu muundamiseks.
• Ülepingekaitse (raudkangi ahelad) – kaitseb toiteallikaid pingetõusude eest.
• Staatilised lülitid / pooljuhtreleed – kiire ümberlülitamine ilma mehaanilise kulumiseta.
• Võimsusregulaatorid – kasutatakse induktsioonküttes ja tööstuslikes ahjudes.
• Mootorite pehmed starterid – Reguleerib sisselülitusvoolu mootori käivitamise ajal.
• Jõuülekandesüsteemid – kasutatakse HVDC (kõrgepinge alalisvoolu) süsteemides.
SCR vs GTO võrdlus
Värava väljalülitamise türistor (GTO) on veel üks türistorite perekonna liige ja seda võrreldakse sageli SCR-idega.
| Parameeter | SCR (räni juhitav alaldi) | GTO (värava väljalülitamise türistor) |
|---|---|---|
| Väljalülitamise juhtimine | Nõuab välist kommuteerimist | Saab väravasignaaliga välja lülitada |
| Värava vool | Vajalik väike impulss | Nõuab suurt väravavoolu |
| Vahetamine | Ainult värava sisselülitamine | Värava sisse- ja väljalülitamine |
| Lülituskiirus | Mõõdukas | Kiirem |
| Võimsuse käitlemine | Väga kõrge | Kõrge |
| Maksma | Madal | Kallis |
| Rakendus | Juhitavad alaldid, vahelduvvoolu kontrollerid | Inverterid, hakkijad, kõrgsagedusajamid |
SCR-i testimine oommeetriga
Enne SCR-i paigaldamist toiteahelasse on oluline kontrollida, kas see on elektriliselt terve. Vigane SCR võib põhjustada lühise või kogu süsteemi rikke. Põhitestimist saab teha digitaalse või analoogmultimeetri abil koos väikese alalisvooluga kontrollimise käivitamiseks.
1 Värava ja katoodi ristmiku test
Need kontrollivad, kas värava ristmik käitub nagu diood.
• Seadke multimeeter dioodi testimise režiimi
• Ühendage positiivne (+) sond väravaga (G) ja negatiivne (–) sond katoodiga (K). Tavaline näit näitab päripinge langust vahemikus 0.5 V kuni 0.7 V
• Pöörake sondid ümber (+ kuni K, - kuni G). Arvesti peaks näitama OL (avatud silmus) või väga suurt takistust
Anoodi ja katoodi blokeerimise test
See tagab, et SCR ei ole sisemiselt lühises.
• Hoidke multimeetrit dioodirežiimis või takistusrežiimis
• Ühendage + sond anoodiga (A) ja – sond katoodiga (K). SCR peaks blokeerima voolu ja näitama avatud vooluringi (juhtivus puudub)
• Pöörake sondid tagurpidi (+ kuni K, - kuni A). Lugemine peaks ikkagi olema avatud
SCR-i käivitamise (lukustamise) test
See kinnitab, kas SCR saab korralikult sisse lülituda ja lukustuda.
• Kasutage järjestikku 6 V või 9 V akut koos 1 kΩ takistiga
• Ühendage aku + anoodiga (A) ja aku – katoodiga (K)
• Ühendage värav (G) lühidalt anoodiga 100–220Ω takisti kaudu. SCR peaks sisse lülituma ja lukustuma, võimaldades voolul voolata ka pärast väravaühenduse eemaldamist.
• Selle väljalülitamiseks ühendage toide lahti – SCR lukustub lahti
Järeldus
Räni juhitav alaldi jääb võimsuse juhtimissüsteemide põhikomponendiks tänu oma tõhususele, suurele töökindlusele ja võimele tulla toime suurte elektrikoormustega. Alates vahelduvpinge reguleerimisest kuni alalisvoolumootori juhtimise ja tööstuslike muundamissüsteemideni mängivad SCR-id elektrotehnikas jätkuvalt olulist rolli. SCR-i põhitõdede kindel mõistmine aitab kavandada ohutuid ja tõhusaid jõuelektroonikaahelaid.
Korduma kippuvad küsimused [KKK]
Mis on SCR-il ja TRIAC-il?
TRIAC võib juhtida voolu mõlemas suunas ja seda kasutatakse vahelduvvoolu juhtimisrakendustes, nagu dimmerid ja ventilaatori regulaatorid. SCR juhib voolu ainult ühes suunas ja seda kasutatakse peamiselt alalisvoolu juhtimiseks või alaldamiseks.
Miks vajab SCR kommutatsiooniahelat?
Alalisvooluahelates ei saa SCR välja lülituda ainult väravaklemmi abil. Kommutatsiooniahel sunnib voolu langema alla hoidevoolu, aidates SCR-il ohutult välja lülituda.
Mis põhjustab SCR-i ebaõnnestumise?
SCR-i rike on tavaliselt põhjustatud ülepingest, suurest liigpingevoolust, ebaõigest soojuse hajumisest või dv/dt käivitatud valelülitusest. Snubber-ahelate ja jahutusradiaatorite kasutamine aitab vältida rikkeid.
Kas SCR saab vahelduvvoolu juhtida?
Jah, SCR-id saavad vahelduvvoolu juhtida faasinurga juhtimise abil. Viivitades väravasignaali lööginurgaga iga vahelduvvoolutsükli ajal, saab reguleerida väljundpinget ja koormusele edastatavat võimsust.
Mis on hoidevool SCR-is?
Hoidevool on minimaalne vool, mis on vajalik SCR-i hoidmiseks olekus ON. Kui vool langeb alla selle taseme, lülitub SCR automaatselt välja isegi siis, kui see on varem käivitatud.