Raddrizzatore controllato al silicio - Silicon controlled rectifier

Raddrizzatore controllato al silicio
SCR de potenza.jpg
Raddrizzatore controllato al silicio
Tipo Attivo
Principio di funzionamento Ian M. Mackintosh ( Laboratori Bell )
Inventato Gordon Hall e Frank W. "Bill" Gutzwiller
Prima produzione General Electric , 1957
Configurazione pin Anodo , cancello e catodo
Simbolo elettronico
Circuito a tiristori symbol.svg
Diagramma SCR a 4 strati (pnpn)

Un raddrizzatore controllato al silicio o un raddrizzatore controllato a semiconduttore è un dispositivo di controllo della corrente a stato solido a quattro strati . Il nome "raddrizzatore controllato al silicio" è il nome commerciale di General Electric per un tipo di tiristore . Il principio della commutazione p–n–p–n a quattro strati è stato sviluppato da Moll, Tanenbaum, Goldey e Holonyak dei Bell Laboratories nel 1956. La dimostrazione pratica della commutazione controllata dal silicio e il comportamento teorico dettagliato di un dispositivo in accordo con i risultati sperimentali è stato presentato dal dottor Ian M. Mackintosh dei Bell Laboratories nel gennaio 1958. L'SCR è stato sviluppato da un team di ingegneri di potenza guidati da Gordon Hall e commercializzato da Frank W. "Bill" Gutzwiller nel 1957.

Alcune fonti definiscono raddrizzatori e tiristori controllati dal silicio come sinonimi mentre altre fonti definiscono raddrizzatori controllati dal silicio come un sottoinsieme appropriato dell'insieme dei tiristori; questi ultimi essendo dispositivi con almeno quattro strati di materiale alternato di tipo n e p . Secondo Bill Gutzwiller, i termini "SCR" e "raddrizzatore controllato" erano precedenti e "tiristore" veniva applicato in seguito, poiché l'uso del dispositivo si diffondeva a livello internazionale.

Gli SCR sono dispositivi unidirezionali (cioè possono condurre corrente solo in una direzione) al contrario dei TRIAC , che sono bidirezionali (cioè i portatori di carica possono attraversarli in entrambe le direzioni). Gli SCR possono essere attivati ​​normalmente solo da una corrente positiva che entra nel gate rispetto ai TRIAC, che possono essere attivati ​​normalmente da una corrente positiva o negativa applicata al suo elettrodo di gate.

Modalità di funzionamento

Curva caratteristica di un raddrizzatore controllato al silicio

Ci sono tre modalità di funzionamento per un SCR a seconda della polarizzazione data ad esso:

  1. Modalità di blocco in avanti (stato spento)
  2. Modalità di conduzione diretta (stato attivo)
  3. Modalità di blocco inverso (stato spento)

Modalità di blocco in avanti

In questa modalità di funzionamento, all'anodo (+) viene data una tensione positiva mentre al catodo (-) viene data una tensione negativa, mantenendo il gate a potenziale zero (0) cioè disconnesso. In questo caso le giunzioni J1 e J3 sono polarizzate in avanti, mentre J2 è polarizzata inversamente, consentendo solo una piccola corrente di dispersione dall'anodo al catodo. Quando la tensione applicata raggiunge il valore di breakover per J2 , allora J2 subisce una rottura a valanga. A questa tensione di breakover J2 inizia a condurre, ma al di sotto della tensione di breakover J2 offre una resistenza molto elevata alla corrente e si dice che l'SCR sia nello stato spento.

Modalità di conduzione diretta

Un SCR può essere portato dalla modalità di blocco alla modalità di conduzione in due modi: o aumentando la tensione tra anodo e catodo oltre la tensione di breakover, oppure applicando un impulso positivo al gate. Una volta che l'SCR inizia a condurre, non è necessaria più tensione di gate per mantenerlo nello stato ON . La corrente minima necessaria per mantenere l'SCR nello stato ON alla rimozione della tensione di gate è chiamata corrente di aggancio.

Ci sono due modi per disattivarlo :

  1. Ridurre la corrente attraverso di essa al di sotto di un valore minimo chiamato corrente di mantenimento, oppure
  2. Con il cancello spento , cortocircuitare momentaneamente l'anodo e il catodo con un interruttore a pulsante o un transistor attraverso la giunzione.

Modalità di blocco inverso

Quando viene applicata una tensione negativa all'anodo e una tensione positiva al catodo, l'SCR è in modalità di blocco inverso, rendendo J1 e J3 polarizzati inversamente e J2 polarizzati direttamente. Il dispositivo si comporta come due diodi collegati in serie. Una piccola corrente di dispersione scorre. Questa è la modalità di blocco inverso. Se la tensione inversa viene aumentata, quindi a un livello di rottura critico, chiamato tensione di rottura inversa (V BR ), si verifica una valanga in corrispondenza di J1 e J3 e la corrente inversa aumenta rapidamente. Gli SCR sono disponibili con capacità di blocco inverso, che si aggiunge alla caduta di tensione diretta a causa della necessità di avere una regione P1 lunga e poco drogata. Di solito, la tensione nominale di blocco inverso e la tensione di blocco diretta sono le stesse. L'applicazione tipica per un SCR a blocco inverso è negli inverter con sorgente di corrente.

Un SCR incapace di bloccare la tensione inversa è noto come SCR asimmetrico , abbreviato ASCR . In genere ha una valutazione di rottura inversa nell'ordine delle decine di volt. Gli ASCR vengono utilizzati quando un diodo a conduzione inversa viene applicato in parallelo (ad esempio, negli inverter con sorgente di tensione) o dove la tensione inversa non si verificherebbe mai (ad esempio, negli alimentatori a commutazione o nei chopper di trazione CC).

Gli SCR asimmetrici possono essere fabbricati con un diodo a conduzione inversa nello stesso contenitore. Questi sono noti come RCT, per tiristori a conduzione inversa .

Metodi di accensione dei tiristori

  1. attivazione della tensione diretta
  2. attivazione del cancello
  3. attivazione dv / dt
  4. attivazione della temperatura
  5. attivazione della luce

L'attivazione della tensione diretta si verifica quando la tensione diretta anodo-catodo viene aumentata con il circuito di gate aperto. Questo è noto come rottura da valanga, durante la quale lo svincolo J2 si rompe. A tensioni sufficienti, il tiristore passa allo stato acceso con una bassa caduta di tensione e un'elevata corrente diretta. In questo caso, J1 e J3 sono già polarizzati in avanti .

Affinché si verifichi l'attivazione del gate, il tiristore dovrebbe trovarsi nello stato di blocco diretto in cui la tensione applicata è inferiore alla tensione di rottura, altrimenti potrebbe verificarsi l'attivazione della tensione diretta. È quindi possibile applicare un unico piccolo impulso di tensione positiva tra la porta e il catodo. Ciò fornisce un singolo impulso di corrente di gate che attiva il tiristore. In pratica, questo è il metodo più comune utilizzato per attivare un tiristore.

L'attivazione della temperatura si verifica quando l'ampiezza della regione di svuotamento diminuisce all'aumentare della temperatura. Quando l'SCR è vicino a VPO un piccolissimo aumento di temperatura provoca la rimozione della giunzione J2 che attiva il dispositivo.

Circuito SCR semplice

Un semplice circuito SCR con un carico resistivo

Un semplice circuito SCR può essere illustrato utilizzando una sorgente di tensione CA collegata a un SCR con un carico resistivo. Senza un impulso di corrente applicato alla porta dell'SCR, l'SCR viene lasciato nel suo stato di blocco diretto. Ciò rende controllabile l'inizio della conduzione dell'SCR. L'angolo di ritardo α, che è l'istante in cui viene applicato l'impulso di corrente di gate rispetto all'istante di conduzione naturale (ωt = 0), controlla l'inizio della conduzione. Una volta che l'SCR conduce, l'SCR non si spegne fino a quando la corrente attraverso l'SCR, i s , diventa negativa. i s soggiorni zero finché viene applicato un altro impulso di corrente di gate e SCR nuovamente inizia conduzione.

Applicazioni

Gli SCR sono principalmente utilizzati in dispositivi dove è richiesto il controllo di alte potenze, eventualmente accoppiate ad alta tensione. Il loro funzionamento li rende adatti per l'uso in applicazioni di controllo dell'alimentazione CA da media ad alta tensione, come la regolazione della luminosità delle lampade , i regolatori di potenza e il controllo del motore.

SCR e dispositivi simili sono utilizzati per la rettifica di CA ad alta potenza nella trasmissione di potenza CC ad alta tensione . Sono utilizzati anche nel controllo di saldatrici, principalmente GTAW (saldatura ad arco di tungsteno a gas) e processi simili. È usato come interruttore in vari dispositivi. I primi flipper a stato solido ne facevano uso per controllare luci, solenoidi e altre funzioni in modo digitale, anziché meccanico, da cui il nome, a stato solido.

Confronto con SCS

Un interruttore controllato al silicio (SCS) si comporta quasi allo stesso modo di un SCR; ma ci sono alcune differenze: a differenza di un SCR, un SCS si spegne quando viene applicata una tensione/corrente di ingresso positiva a un altro cavo del gate dell'anodo. A differenza di un SCR, un SCS può anche essere attivato in conduzione quando viene applicata una tensione/corrente di uscita negativa allo stesso cavo.

Gli SCS sono utili praticamente in tutti i circuiti che necessitano di un interruttore che si accende/spegne tramite due distinti impulsi di controllo. Ciò include circuiti di commutazione di potenza, circuiti logici, driver per lampade, contatori, ecc.

Rispetto ai TRIAC

Un TRIAC assomiglia a un SCR in quanto entrambi agiscono come interruttori controllati elettricamente. A differenza di un SCR, un TRIAC può far passare corrente in entrambe le direzioni. Pertanto, i TRIAC sono particolarmente utili per le applicazioni CA. I TRIAC hanno tre conduttori: un conduttore di gate e due conduttori, indicati come MT1 e MT2. Se non viene applicata corrente/tensione al cavo di gate, il TRIAC si spegne. D'altra parte, se la tensione di trigger viene applicata al cavo di gate, il TRIAC si accende.

I TRIAC sono adatti per circuiti di regolazione della luce, circuiti di controllo di fase, circuiti di commutazione dell'alimentazione CA, circuiti di controllo del motore CA, ecc.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

link esterno