Siliziumkontrollierte Gleichrichter (SCRs): Symbol, Konstruktion, Betrieb und Verwendung

Siliziumkontrollierte Gleichrichter (SCRs) sind leistungsstarke, gategesteuerte Halbleitergeräte, die die Landschaft der modernen Kraftelektronik seit ihrer Erfindung geprägt haben.In diesem Artikel wird die inneren Arbeiten, die Schaltmodi, die Leistungsparameter und die Anwendungen von SCRs untersucht und Sie mit den Erkenntnissen ausgerichtet, die erforderlich sind, um sie effektiv in Stromversorgungssysteme zu integrieren.

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Abbildung 1. Siliziumkontrollierter Gleichrichter (SCR)

SCR -Überblick über Siliziumkontrollierter (SCR)

Ein Silizium-kontrollierter Gleichrichter (SCR) ist eine Art von Thyristor, ein Vierschicht (PNPN) -Semikonduktorgerät mit drei Klemmen: Anode (a), Kathode (K) und Gate (g).Die SCR wurde 1957 von General Electric und IBM's Bell Labs erfunden und revolutionierte Leistungselektronik, indem er eine präzise Kontrolle der Hochspannungs- und Hochstromsysteme ermöglichte.

Der Begriff SCR steht für Silicon Controlled Gleichrichter.Es fungiert als kontrollierter Gleichrichter, sodass der Strom nur dann zwischen Anode und Kathode fließen kann, nachdem ein Triggersignal auf das Tor angelegt wurde.Sobald Sie ausgelöst wurden, wird der SCR festgelegt und leitet auch dann, auch wenn das Gate -Signal entfernt wird.Es bleibt in diesem leitenden Zustand, bis der Strom natürlich unter den Haltestromschwellenwert fällt, z.

Dieses Verriegelungsverhalten macht SCRs ideal für die Umwandlung, die Phasenkontrolle und die schnellen Schaltaufgaben in Industriemotorfahrten, leichten Dimmer, Heizelementen und regulierten Netzteilen.Aufgrund ihrer Robustheit, der schnellen Reaktion und ihrer minimalen Leitungsverlust bleiben SCRs ein Eckpfeiler in Hochleistungskontrollanwendungen.

SCR -Struktur und -Symbol mit Siliziumsteuerung (SCR)

Abbildung 2.

Ein SCR wird aus vier abwechselnden Schichten von Halbleitermaterial, zwei Arten von P-Typ und zwei von N-Typen gebildet, die eine PNPN-Struktur bilden.Diese Konfiguration führt zu drei verschiedenen PN -Übergängen: j₁ (zwischen den ersten P- und N -Schichten), J₂ (die zentralen N- und P -Schichten) und J₃ (zwischen den letzten P- und N -Schichten).Diese Kreuzungen werden für das SCR -Schaltverhalten und die kontrollierte Leitung verwendet.

Abbildung 3. SCRS -Symbol

Das Schaltungssymbol für einen SCR ähnelt dem einer Diode, der einen Pfeil aus der Anode (a) zur Kathode (k) zeigt, was die Richtung des herkömmlichen Stromflusses anzeigt.Was das SCR -Symbol unterscheidet, ist das Gate (G) -Anterminal, eine Linie, die sich an der Seite des Hauptsymbols abzweigt, das als Steuereingang dient, um die Leitung zu auslösen.

Das SCR -Symbol unterscheidet sich von einer Diode durch Zugabe eines Gate -Terminals, wodurch die externe Steuerung über die Leitung des Geräts ermöglicht wird.Während eine Diode nach dem Vorwärtsvorwärtsverhalten automatisch durchführt, benötigt ein SCR einen Gate-Trigger zum Einschalten.Im Gegensatz dazu verfügt ein Triac, der für AC -Anwendungen verwendet wird, ein Symbol, das eine bidirektionale Leitung mit zwei entgegengesetzten Pfeilen zeigt, was darauf hinweist, dass der Strom in beide Richtungen fließen kann.Dies unterscheidet sich von der unidirektionalen Natur des SCR, was nur Strom von der Anode zur Kathode ermöglicht, nachdem er ausgelöst wurde.

SCRS -Schaltmodi und Auslösen von Methoden

Ein SCR (Silicon Controlled Rctifier) ​​wechselt zwischen den Ein- und Ausschieben auf der Basis der Polarität der Anode-Kathode-Spannung und der Frage, ob ein Triggersignal auf das Gate angewendet wird.Im Gegensatz zu regulären Dioden beginnen SCRs nicht allein bei Vorspannung mit der Leitung, sondern benötigen entweder einen Gate-Impuls oder eine Hoch-Sough-Anode-Kathodenspannung (Breakover) zum Einschalten.Der SCR arbeitet in drei verschiedenen Modi:

Vorwärtsblockierungsmodus (aus)

Abbildung 4. Vorwärtsblockierungsmodus (aus) von SCR

In diesem Modus ist die Anode im Vergleich zur Kathode positiv, aber es wird kein Gate -Strom angewendet:

• Junctions J₁ und J₃ sind vorwärts vorgespannt.

• Junction J₂ bleibt umgekehrt und blockiert den Stromfluss durch das Gerät.

Nur ein sehr kleiner Leckstrom fließt, sodass der SCR ausgeschaltet bleibt.Das Gerät ist jedoch "primiert" und kann einschalten, wenn ein Gate -Signal eingeführt wird oder wenn die Vorwärtsspannung die Breakover -Spannung überschreitet.Dieser Modus wirkt wie ein offener Schalter auf die Aktivierung.

Vorwärtsleitungsmodus (Ein)

Abbildung 5. Vorwärtsleitungsmodus (Ein) von SCR

Der SCR führt in diesem Modus einen signifikanten Strom durch.Der Übergang von der Vorwärtsblockierung zur Leitung kann auf zwei Arten auftreten:

• GATE-Auslöser: Ein kleiner positiver Strom, der auf das Tor (g) relativ zur Kathode (k) angewendet wird, wird vorübergehend vorwärts vorgespannt und initiiert die Leitung bei einer relativ niedrigen Anodenkathodenspannung.

• Auslösen von Breakover: Wenn kein Gate-Signal angewendet wird, erhöht die Anode-Kathode-Spannung über die Breakover-Schwellenwerte hinaus J₂ in Lawinenumschläge und schaltet den SCR ein.

Sobald das Leitenden leitet, wird der SCR verriegelt und das Tor verliert die Kontrolle.Das Gerät bleibt eingeschaltet, bis der Anodenstrom unter den Haltestrom fällt und zu diesem Zeitpunkt in den Vorwärtsblockierungszustand zurückkehrt.

Reverse Blocking -Modus (aus)

Abbildung 6. Reverse -Blockierungsmodus (AUS) von SCR

Wenn die Anode relativ zur Kathode negativ ist:

• Junctions J₁ und J₃ sind Reverse-Bias und blockieren den Strom.

• Junction J₂ ist Vorwärtsbias, aber die Gesamtleitung wird durch J₁ und J₃ verhindert.

Dieser Modus entspricht zwei in Seriedioden umgekehrten BIAS-Dioden.Der SCR blockiert den umgekehrten Strom effektiv und ermöglicht nur einen vernachlässigbaren Leckstrom zum Fließen.The device remains OFF regardless of any gate signal in this mode.

SCR -Leistungsspezifikationen (Silicon Controlled Gleichrichter)

Parameter	Beschreibung	Bedeutung
Riegelstrom (IL)	Der minimale Anodenstrom erforderlich Damit die Leitung nach dem Auslöser aufrechtzuerhalten.	Stellt sicher, dass der SCR festgehalten bleibt Auch nach dem Entfernen des Torpulses.Muss kurz kurz überschritten werden Einschalten.
Strom halten (IH)	Der minimale Strom darunter, unter dem Der SCR wird sich nach dem Verrissen ausschalten.	Wenn der Anodenstrom unter diesem fällt value, the SCR stops conducting.Wichtig in Lastkontrollschaltungen.
Gate -Triggerstrom (IGT	Der minimale Strom, der fließen muss in das Gate -Terminal, um die Leitung zu initiieren.	Bestimmt, wie empfindlich das SCR ist, um Auslösen.Niedrigere Werte werden für eine einfache Gate -Steuerung bevorzugt.
Gate -Triggerspannung (VGT	Die erforderliche Mindestspannung zwischen Tor und Kathode, um mit dem Auslösen zu beginnen.	Beeinflusst das Design von Gate Drive Schaltungen.
Spannung (VBO)	Die maximale Vorwärtsspannung die SCR kann ohne Auslösen standhalten, wenn kein Gate -Signal angewendet wird.	Wenn es überschritten wird, schaltet sich der SCR ohne a ein Gate -Puls - Machen Sie im normalen Betrieb, sofern nicht beabsichtigt.
DV/DT -Bewertung	Die maximale Änderungsrate der Spannung Über den SCR im Außenzustand ohne unbeabsichtigte Auslösen.	Schützt vor falschem Einschalten aufgrund Plötzliche Spannungsspitzen.Ein Snubber -Schaltkreis wird häufig verwendet, um DV/DT zu begrenzen.
Ausbausage (TQ)	Die Zeit, die für den SCR erforderlich ist, um sich zu erholen Die Blockierung der Fähigkeit nach dem Strom fällt unter den Haltestrom.	Wirkt sich darauf aus und aus, riskant bei hochfrequenten Schaltanwendungen.

Das Verständnis dieser Parameter ist nützlich für die ordnungsgemäße SCR -Auswahl und den Schaltungsschutz.Beispielsweise kann ein DV/DT -Fehler zu einer falschen Auslöschung führen, während ein unzureichender Haltestrom zu vorzeitiger Abschlusspflicht führen kann.

Beliebte Verpackungsstile

SCRs sind in einer Vielzahl von Verpackungsstilen erhältlich, die jeweils für unterschiedliche Stromniveaus, thermische Bedingungen und mechanische Anforderungen ausgelegt sind.Der Pakettyp beeinflusst direkt die aktuelle Kapazität, die thermische Leistung und die Eignung für verschiedene Umgebungen des SCR.

Paketart	Beschreibung	Typische Verwendung
Planar (Plastik)	Ein kompaktes und kostengünstiges Paket In der Regel für Anwendungen mit niedrigem bis mittelschwerem Strom (bis zu ~ 25 a). Diese sind leicht zu montieren und zu massenproduzieren.	Unterhaltungselektronik, Beleuchtungssteuerung
Mesa (Kunststoff/Metall)	Für mittlere Leistungsstufen entwickelt, Kombinieren Sie eine gute thermische Leistung mit mittelschwerer Größe.Metallfälle oder Basen verbessern die Wärmeleitung.	Industriekontrolle, Motorfahrten
Pressepack (Metall)	Ein hochstromiges, robustes Paket mit ausgezeichneter thermischer Leitfähigkeit und hoher DI/DT -Leistung. Entwickelt für den direkten Druckkontaktabkühlung.	Hochleistungs-AC-Laufwerke, HVDC-Systeme

SCR -Anwendungen (Silicon Controlled Rctifier)

• Wechselstrom- bis DC-Gleichrichter: SCRs werden in kontrollierten Gleichrichterkreisen ausgiebig verwendet, z.

• Motorantriebe und Geschwindigkeitscontroller: SCRs bieten eine reibungslose Steuerung der Variablengeschwindigkeit für DC- und Wechselstrommotoren, insbesondere in Industrieautomatisierung, Aufzügen, Lüftern und Förderbändern.Ihre Fähigkeit, die Stromversorgung basierend auf Lastanforderungen zu modulieren, macht sie in Präzisionsmotor -Steuerungssystemen nützlich.

• Leichte Dimmer- und Heizelemente: In resistiven Lastanwendungen wie Glühlampenleuchten und elektrischen Heizungen regulieren SCRs die gelieferte Leistung, indem sie den Leitungswinkel des Wechselstromzyklus steuern und einstellbare Helligkeit oder Temperatur anbieten.

• Schaltkreise der Brechstangen: SCRs werden in Schaltkreisen für Brechstangen verwendet, um empfindliche Elektronik vor Überspannungsbedingungen zu schützen.Sobald eine Überspannung erkannt wurde, löst der SCR einen Kurzschlussweg aus, um die Sicherung oder den Brecher auszulösen, wodurch die Last effektiv von Schäden isoliert wird.

• Schweißmaschinen und Hochleistungsumschaltungen: Aufgrund ihrer Robustheit und ihren Fähigkeiten mit hoher Stromhandlung sind SCRs ideal für Widerstandsschweißen, induktive Heizsysteme und andere industrielle Schaltanwendungen mit hoher Leistung.

Vorteile und Einschränkungen von SCRs

Siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) werden in der Leistungselektronik zur kontrollierten Richtigkeit und zum Schalten weit verbreitet.Ihre Leistung in Hochleistungsszenarien macht sie in vielen industriellen und kommerziellen Systemen nützlich.Sie haben jedoch auch Einschränkungen, die bei der Gestaltung zuverlässiger und effizienter Schaltungen berücksichtigt werden müssen.

Vorteile von SCRs

• Hochspannung und Stromhandhabung: SCRs können extrem hohe Spannungen (Hunderte bis Tausende von Volt) und Strömungen (Zehn bis Tausende von Verstärkern) umgehen, wodurch sie für Hochleistungsanwendungen wie Motorradfahrten, Industrieheizungen und Stromübertragung geeignet sind.

• Niedrigem Leitungsverlust im Zustand: Nachdem ein SCR ausgelöst wurde, arbeitet ein SCR mit einem niedrigen Vorwärtsspannungsabfall, typischerweise 1 bis 2 Volt, wodurch der Stromverlust minimiert und eine hohe Effizienz während der Leitung gewährleistet ist.

• Simple Gate Triggering: A short-duration gate pulse is sufficient to latch the device, which simplifies the gate driver circuitry and reduces control-side energy consumption.

Einschränkungen von SCRs

• Unidirektionale Leitung: SCRs nur von Anode zur Kathode leiten und ihre Verwendung in Wechselstromsystemen begrenzen, sofern sie nicht in antiparallelem oder ergänztem mit anderen Komponenten wie Triacs konfiguriert sind.

• Nicht-Gate-Ausschalten: Im Gegensatz zu Transistoren oder MOSFETs können SCRs nicht über das Tor ausgeschaltet werden.Sie erfordern den Anodenstrom, um unter einen bestimmten "Haltestrom" zu fallen, der in vielen Schaltungen eine natürliche oder erzwungene Kommutierung erfordert.

• DV/DT -Empfindlichkeit: Ein steiler Spannungsanstieg über den SCR (hoher DV/DT) kann die unbeabsichtigte Leitung auch ohne Gate -Signal auslösen.Um eine falsche Auslöser zu verhindern, werden häufig Stuhlschaltungen verwendet, um transiente Spannungsspitzen zu verwalten.

• Temperaturempfindlichkeit: Das SCR -Verhalten wird stark durch die Temperatur beeinflusst.Höhere Temperaturen können den Haltestrom verringern und das Risiko eines falschen Auslösens oder der thermischen Instabilität erhöhen, wenn die Wärmeableitung nicht ordnungsgemäß behandelt wird.

PLUS

SCRs führen von Natur aus in nur eine Richtung durch, wodurch sie für den eigenständigen Gebrauch in AC-Schaltungen ungeeignet sind, bei denen der Strom jeden Halbzyklus umkehrt.During the negative half of an AC waveform, an SCR remains reverse-biased and blocks current, effectively providing half-wave control only.

Um die Vollwellensteuerung in AC-Anwendungen zu implementieren, können Sie in der Regel:

• Verwenden Sie zwei SCRs in der Antiparallelkonfiguration für die bidirektionale Leitung

• Replace them with a TRIAC, a device that integrates two SCRs in one package and conducts in both directions when triggered

SCR gegen Triac vs. scs

Abbildung 7. SCR gegen Triac vs. scs

Parameter	SCR (Siliziumgesteuerte Gleichrichter)	Triac (Triode für abwechselnden Strom)	SCS (Siliziumgesteuerter Schalter)
Leitungsrichtung	Unidirektional (Anode zur Kathode)	Bidirektional (beide Hälften des Wechselstromzyklus)	Unidirektional
Gate -Terminals	Single Gate	Single Gate	Zwei Tore (Anoden -Tor und Kathodentor)
Auslösermethode	Durch Gateimpuls ausgelöst, Riegel an	Auf beiden Wechselstromzyklen durch Gatepuls ausgelöst	Über Gate -Signale ein-/ausgelöst
Ausbausmethode	Schaltet sich aus, wenn der Strom unten fällt Holding Level	Schaltet sich aus, wenn der Strom unten fällt Holding Level	Kann durch Gate -Signal ausgeschaltet werden
Steuerflexibilität	Begrenzt (nur über Gate)	Moderat (über Gate in beiden Polaritäten)	Hoch (ein- und aus über Gate)
Fähigkeit zur Krafthandhabung	Hoch	Mäßig	Niedrig
Typische Anwendungen	Motorfahrten, kontrollierte Gleichrichter, crowbar circuits	Leichte Dimmer, Lüftergeschwindigkeitskontrolle, Zuhause Gerätewechsel	Impulsschaltungen, digitales Schalten, Timing Schaltungen
Strukturtyp	Pnpn	Äquivalent zu zwei inversen parallelen SCRs	PNPN mit zusätzlicher Gate -Steuerung
Bevorzugter Anwendungsfall	Hochleistungssteuer-, kontrollierter DC- oder Wechselstromschalter	Wohnungswechselbekämpfung, bidirektional Lastschaltung	Präzisionsschwarmschaltung mit voller Leistung Kontrolle

Häufige Fehler

Um eine starke SCR -Leistung zu gewährleisten, vermeiden Sie diese häufigen Design -Fallstricke:

• Ignorieren von DV/DT-Grenzen oder Überspringen von Snubber-Schaltkreisen: Das Weglassen von DV/DT-Schutz kann zu einer falschen Einstellung führen.Fügen Sie beim Betrieb in lauten oder Hochgeschwindigkeitsumgebungen immer einen ordnungsgemäß berechneten Snubber über den SCR ein.

• Verwenden der natürlichen Kommutierung in ungeeigneten Wechselstromanwendungen: Einige Designer verlassen sich fälschlicherweise auf die Wechselstromwellenform, um den SCR in Schaltkreisen auszuschalten, die besser für Triacs oder komplementäre SCRs geeignet sind.Verwenden Sie Triacs, wenn bidirektionale Wechselstromwechsel mit voller Welle erforderlich ist.

• Unsachgemäße Herunterfahren- oder Kommutierungswege: Ohne eine zuverlässige Methode, um den Strom unter der Halteebene zu fallen, kann sich der SCR auf unbestimmte Zeit verringern.Entwerfen Sie ordnungsgemäße Kommutierungspfade oder integrieren Sie Null-Cross-Erkennung für die Wechselstromphasenregelung.

• Unangemessenes thermisches Design: Überhitzung kann die SCR verschlechtern oder zerstören.Stellen Sie immer sicher, dass ein ordnungsgemäßes Wärmesinkting oder thermische Grenzflächenmaterialien verwendet werden, und führen Sie eine thermische Modellierung durch, wenn das System in der Nähe der SCR -Leistungsgrenzen arbeitet.

Abschluss

SCRS ist aufgrund ihrer starken Leistung, niedrigen Leitungsverluste und einfacher Gate-Auslöser-Mechanismus nützlich bei Hochleistungselektronik.Während ihre unidirektionale Leitung und das Fehlen von Gate-kontrollierten Abkürzungen bestimmte Anwendungen begrenzen, werden diese Einschränkungen häufig durch ihre Zuverlässigkeit und Effizienz in DC- oder kontrollierten Wechselstromsystemen überwogen.Das Verständnis ihrer internen Struktur, des Schaltverhaltens und der elektrischen Parameter ist zum Entwerfen von Schaltkreisen erforderlich, die sicher, effektiv und für die Leistung optimiert sind.Unabhängig davon, ob Sie Industriemotor-Antriebe, Dimmer oder Gleichrichterschaltungen entwickeln, können SCRs ordnungsgemäß zu langlebigen und kostengünstigen Stromversorgungslösungen führen.