Compreendendo o retificador controlado por silício (SCR)
O retificador controlado por silício (SCR) é uma parte essencial dos eletrônicos de potência, evoluindo do diodo Shockley mais simples.O Diodo Shockley atuou como um interruptor básico, mas não pôde ser controlado externamente.Adicionando um terminal de portão para criar o SCR permitiu controle preciso sobre sua condução, transformando -o em um componente ativo para gerenciar energia em vários circuitos.Este artigo abrange a estrutura e operação do SCR, incluindo sua configuração interna e mecanismo de feedback positivo para comutação eficiente.Ele explica diferentes métodos de acionamento e a necessidade de ativação controlada para um desempenho confiável.O artigo também discute o teste da funcionalidade SCR, os usos no controle de energia CA, técnicas avançadas de acionamento, tipos de SCRs e novas tendências na tecnologia SCR.O objetivo é dar uma compreensão clara dos SCRs, como eles funcionam e seu papel na eletrônica moderna.Catálogo
Diodo Shockley para SCR
Figura 1: Diodo Shockley
O Diodo Shockley, uma versão inicial do dispositivo PNPN, funciona como um interruptor básico que liga quando atinge uma determinada tensão.No entanto, ele tem uso limitado porque não tem controle sobre sua comutação.A introdução do SCR melhora no diodo Shockley adicionando um terminal de portão.Essa adição permite o controle externo do estado de condução do dispositivo, alterando -o de uma chave simples para um componente ativo que pode lidar com níveis mais altos de potência com maior precisão.Essa mudança aumenta muito a utilidade do dispositivo, tornando -a adequada para muitos outros circuitos eletrônicos.
A estrutura do retificador controlado por silício
Figura 2: interruptor controlado por silício
A evolução de um diodo Shockley para um SCR envolve adicionar um terminal de portão à estrutura PNPN existente.Este terminal de portão permite que o SCR seja controlado por um sinal externo, fornecendo uma maneira de ligar e desligar o dispositivo, conforme necessário.Essa alteração faz do SCR um componente ativo, expandindo bastante seu uso em vários circuitos eletrônicos.A capacidade de controlar a ação de comutação com um sinal externo cria novas possibilidades para gerenciamento preciso de energia, o que é muito útil para aplicações eletrônicas modernas.
Estrutura e operação de um SCR
Figura 3: Estrutura e operação de um SCR
Um SCR é composto de quatro camadas de semicondutores que formam três junções PN, com um ânodo, um cátodo e um terminal de portão.Quando o portão é deixado desconectado, o SCR age como um diodo Shockley, ligando quando a tensão de ruptura é atingida.No entanto, a aplicação de uma pequena tensão no portão permite que o SCR seja acionado de propósito.
Caminho de condução SCR
Quando uma pequena corrente é aplicada ao portão, o transistor inferior no SCR liga.Essa ação liga o transistor superior, criando um loop que mantém o SCR no estado "on", permitindo que a corrente flua do ânodo para o cátodo.Depois disso, a corrente do portão não é mais necessária para manter o SCR ligado.O SCR tem dois transistores trabalhando juntos para mantê -lo quando começar.Esse design ajuda o SCR a mudar rapidamente de OFF para ON.
Figura 4: Caminho de condução SCR
Para entender como um SCR funciona, observe sua configuração interna.Quando um pulso é enviado para o portão, ele ativa o transistor inferior, deixando a corrente passar pelo transistor superior e mantendo o inferior ligado.Esse loop garante que o SCR permaneça até que a corrente caia abaixo de um certo nível, chamado de corrente de retenção.Isso torna os SCRs úteis para alternar e gerenciar energia de maneira confiável.
Métodos de disparo e disparo
O desencadeamento, também chamado de disparo, significa aplicar um pulso de tensão no terminal do portão do SCR.Esse método garante que o SCR acenda apenas quando necessário, não importa se a tensão ultrapassa o ponto de ruptura.O acionamento reverso, que desliga o SCR aplicando uma tensão negativa ao portão, também pode ser feito, mas é menos eficiente porque requer muita corrente.
Símbolo do tiristor de desligamento do portão (GTO)
Figura 5: Símbolo GTO
Acionar um SCR é a chave para sua operação.A corrente do portão necessária para acionar um SCR é muito menor que a corrente que flui através do dispositivo, fornecendo alguma amplificação.Uma vez acionado, o SCR permanece no estado condutor até que a corrente através dele cai abaixo de um certo nível, conhecido como corrente de retenção.Essa característica é muito útil em aplicações em que a comutação controlada é necessária, garantindo que o SCR permaneça ativado até que a corrente de carga caia o suficiente para desligá -la.Essa ativação e desativação controlada tornam os SCRs muito adequados para aplicações que requerem gerenciamento preciso de energia.
Testando a funcionalidade de SCR
Para testar se um SCR funcionar, você pode começar com uma verificação básica usando um ohmímetro para medir a junção portão a catodo.No entanto, este teste simples não é suficiente.Você também precisa ver como o SCR se sai sob carga.Para um teste completo, configure um circuito com uma fonte de energia CC e os botões de botão para observar como o SCR liga e desligou quando conectado a uma carga.
Figura 6: Circuito de teste de SCR
Para garantir que os SCRs funcionem corretamente, várias etapas estão envolvidas em seus testes.Um circuito de teste simples pode ser construído usando uma fonte de alimentação CC, um resistor de carga e interruptores de botão para simular os processos de acionamento e retenção.Ao assistir ao comportamento do SCR nessa configuração, pode -se confirmar sua capacidade de se agarrar e desligar conforme o esperado.Esse processo de teste ajuda a diagnosticar problemas em potencial e garante a confiabilidade dos SCRs em aplicativos do mundo real.Testes abrangentes em condições reais de carga ajudam a encontrar pontos fracos ou defeitos no SCR, garantindo um desempenho confiável em aplicativos exigentes.
Controle SCR da energia CA
Os SCRs são frequentemente usados, onde grandes quantidades de energia precisam ser comutadas, mas os circuitos de controle lidam apenas com pequenas corrente e tensão por simplicidade e confiabilidade.Isso torna os SCRs perfeitos para situações que precisam de mecanismos de controle fortes, mas sensíveis.Por exemplo, o poder de disparo de portão de um SCR pode ser tão baixo quanto 50 microwatts (1 V, 50 µA), garantindo que os contatos de atuação gerenciem apenas esse pequeno sinal.Depois de acionado, o SCR pode manusear e alternar as cargas de saída diretamente, fornecendo até 100 watts ou mais.Isso permite um controle eficiente de sistemas de alta potência com tensão mínima no circuito de controle.
Figura 7: SCR no controle de energia CA
Em termos de como eles funcionam, o comportamento reverso do SCR é como um diodo típico do retificador de silício, atuando como um circuito aberto quando uma tensão negativa é aplicada entre o ânodo e o cátodo.Na direção direta, o SCR bloqueia o fluxo de corrente até que a tensão exceda um ponto de ruptura específico, a menos que um sinal de portão seja aplicado.Quando a tensão de ruptura direta é superada ou um sinal de portão apropriado é introduzido, o SCR transita rapidamente para um estado condutor, com uma queda de tensão direta baixa semelhante à de um retificador de junção única.Essa capacidade de comutação rápida garante que o SCR possa gerenciar com segurança cargas de alta potência, mantendo um requisito de baixa potência para operações de controle.
Figura 8: Switch de série
A figura acima mostra um interruptor simples de série que envia um sinal CA para o portão do SCR.O resistor R1 limita a corrente da porta para mantê -la segura, enquanto o diodo D impede que a tensão reversa afete a porta durante o ciclo não condutor.A carga (RL) conectada ao ânodo pode ser qualquer valor dentro dos limites do SCR.Essa configuração garante que o SCR opere de maneira confiável, com acionamento e proteção controlados contra a tensão elétrica.
Figura 9: formas de onda de comutador CA
Quando o Switch S está aberto, o SCR permanece desligado, mesmo que a energia CA esteja presente.O interruptor de fechamento S permite que a parte positiva do ciclo AC acione o SCR, fazendo com que ele conduza porque o ânodo é positivo.O SCR liga para menos da metade do ciclo e permanece fora durante a parte negativa do ciclo.Os controles de fechamento S quando o SCR liga, permitindo que a corrente flua através da carga.Para interromper a corrente, você pode abrir o interruptor ou aguardar o ciclo negativo, que desliga o SCR.Essa configuração permite o controle fácil do fluxo de corrente no circuito.
Figura 10: interruptor de derivação
Para controlar um SCR, você pode usar o CC no portão.A aplicação de CC no portão lança o SCR.Outra maneira é usar um interruptor entre o portão e o cátodo.Abrir o interruptor liga o SCR, permitindo que a corrente flua através da carga.Para desligar o SCR e interromper a corrente, feche o comutador ou aplique uma tensão negativa ao ânodo.Este método ajuda a controlar dispositivos como velocidades do motor e níveis de potência.
Figura 11: Carregue a corrente com o interruptor fechado
Dois outros métodos simples para trocar a energia para cargas são ilustrados.No primeiro circuito, o fechamento do contato de atuação fornece energia à carga, enquanto a abertura do contato corta a energia.Por outro lado, o segundo circuito opera no inverso: a energia é fornecida à carga somente quando o contato está aberto.Ambos os circuitos podem ser configurados para "travar" usando uma alimentação CC em vez do CA mostrado.
No primeiro circuito, um divisor de tensão composto de resistores R2 e R3 fornece o sinal da porta CA para o SCR.Isso permite que o SCR atire e forneça energia quando o contato é fechado.No segundo circuito, o fechamento do interruptor faz com que o portão e o cátodo tenham o mesmo potencial, impedindo que o SCR dispare e, assim, cortando a energia para a carga.Essa configuração simples garante controle claro e previsível da energia para a carga em qualquer uma das configurações.
Figura 12: Carregar corrente com interruptor aberto
A energia CA pode ser controlada usando o circuito mostrado abaixo.Nesta configuração, dois SCRs são conectados consecutivos para gerenciar as duas meias ciclas da tensão CA.Essa configuração garante que cada SCR lida com um meio ciclo da forma de onda CA, permitindo um controle eficiente e preciso da energia entregue à carga.
Figura 13: Switch CA com dois scrs
A corrente de controle flui para os portões através do resistor R3 quando um interruptor externo (mecânico ou eletrônico) conecta os terminais de controle.Esse interruptor pode ser controlado por vários sensores, como luz, calor ou pressão, que ativam um amplificador eletrônico.Quando o interruptor fecha, os SCRs são acionados com cada ciclo AC, permitindo que a energia flua para a carga.Quando o interruptor é aberto, os SCRs não disparam e nenhuma energia é entregue à carga.Esse mecanismo gerencia efetivamente a potência CA fornecida à carga.
Aplicações e tipos de scrs
Os SCRs são usados em muitos campos porque possuem fortes recursos de controle.Isso inclui conversão de energia, controle de motor e sistemas de iluminação.Diferentes tipos de SCRs foram desenvolvidos para atender às necessidades específicas:
SCR padrão: Usado para fins gerais.
SCR de troca rápida: Projetado para aplicações de alta frequência.
SCR (LTS) acionado por luz: Usa luz para desencadear, fornecendo isolamento elétrico.
GATE DESLIGADO SCR (GTO): Permite o controle de ativação e desligamento.
SCR de bloqueio reverso: Pode bloquear a corrente nas duas direções.
Bridge SCR de trifásico Controle de carga
Cada tipo de SCR é feito para necessidades específicas.Os SCRs padrão são flexíveis e usados em muitas aplicações, enquanto os SCRs de troca rápida são perfeitos para operações de alta velocidade.Os SCRs acionados por luz (LTS) usam luz para acionar a porta, fornecendo excelente isolamento elétrico.Os SCRs de desligamento do portão (GTO) podem ligar e desligar, tornando-os adequados para aplicações de alta potência.Os SCRs de bloqueio reverso são projetados para bloquear o fluxo de corrente em ambas as direções, aumentando seu uso em cenários de controle de potência CA.
Figura 14: Bridge Scr de três fases Controle da carga
Aplicações práticas e usos avançados de scrs
Os SCRs são amplamente utilizados em muitas aplicações devido aos seus fortes recursos de controle.Algumas aplicações notáveis incluem:
Sistemas de conversão de energia: os SCRs são componentes -chave nos sistemas de conversão de energia, gerenciando a alteração do CA para a energia CC e vice -versa.Esses sistemas são usados em ambientes industriais e eletrônicos de consumo, onde é necessária uma fonte de alimentação estável e confiável.
Controle do motor: Em aplicações de controle do motor, os SCRs ajustam a velocidade e o torque dos motores elétricos.Ao alterar o ângulo de disparo, os SCRs controlam a energia entregue ao motor, permitindo controle preciso sobre sua operação.
Sistemas de iluminação: os SCRs são usados para suavemente as luzes escuras, controlando o ângulo de fase da alimentação CA.Essa habilidade fornece economia de energia e aprimora o ambiente nas aplicações de iluminação.
Controles de aquecimento: nas aplicações de aquecimento, os SCRs regulam a energia fornecida aos elementos de aquecimento, mantendo a temperatura desejada com alta precisão.Isso é especialmente útil em processos industriais que exigem controle preciso da temperatura.
CIRCUITOS DE PROTEÇÃO: Os SCRs atuam como cabines de proteção em circuitos de proteção, curto-circuito na fonte de alimentação em caso de uma condição de sobretensão para proteger componentes eletrônicos sensíveis contra danos.
A ampla gama de aplicações mostra a flexibilidade e a utilidade dos SCRs nos eletrônicos modernos, onde são necessários controle preciso e desempenho confiável.
Análise detalhada das características de SCR
Compreender as características específicas dos SCRs é essencial para seu uso eficaz.As principais características incluem:
Tensão do gatilho de portão (vGt)
A tensão mínima do portão necessária para ativar o SCR.
Segurando a corrente (iH)
A corrente mínima necessária para manter o SCR conduzindo.
Corrente de trava (iL)
A corrente mínima necessária para manter o SCR no estado "ON" após o gatilho do portão ser removido.
Tensão de ruptura (vBo)
A tensão na qual o SCR acenderá sem qualquer corrente do portão.
Tensão de bloqueio para a frente (vDrm)
A tensão máxima que o SCR pode bloquear na direção direta sem conduzir.
Tensão de bloqueio reverso (vRrm)
A tensão máxima que o SCR pode bloquear na direção inversa.
Queda de tensão no estado (vTm)
A tensão caiu através do SCR quando está conduzindo.
Classificação DV/DT
A taxa máxima de aumento da tensão fora do estado que o SCR pode suportar sem ligar.
Classificação DI/DT
A taxa máxima de aumento da corrente no estado que o SCR pode suportar sem danos.
Circuitos de Proteção e Assupa SCR
Para melhorar a confiabilidade dos SCRs em aplicações práticas, os circuitos de proteção são frequentemente usados.Um método comum é o uso de circuitos de amortecedor.Os circuitos de amortecedores protegem SCRs de tensões altas de DV/DT e DI/DT, o que pode causar falha precoce.
Figura 15: Proteção de SCR
Para proteger o SCR de picos de tensão repentina, cada SCR em um circuito conversor possui uma rede de amortecedor R-C paralelo.Essa rede de amortece que protege o SCR contra picos de tensão interna que ocorrem durante o processo de recuperação reversa.Quando o SCR é desligado, a corrente de recuperação reversa é redirecionada para o circuito de amortecedor, que contém elementos de armazenamento de energia.
Lightning e comutação no lado da entrada podem danificar o conversor ou o transformador.Para reduzir o impacto dessas tensões, os dispositivos de fixação de tensão são usados em todo o SCR.Os dispositivos comuns de fixação de tensão incluem varistores de óxido metálico, diodos de tireitoras de selênio e supressores de diodo de avalanche.
Esses dispositivos têm resistência decrescente à medida que a tensão aumenta, fornecendo um caminho de baixa resistência ao longo do SCR quando ocorre a tensão de surto.A figura abaixo mostra como um SCR é protegido de tensões acima de um diodo de tireitor e uma rede de amortecedor.
Técnicas de acionamento avançado para SCRs
Figura 16: Técnica de acionamento
Além do acionamento simples do portão, métodos avançados podem melhorar ainda mais o desempenho do SCR em configurações complexas.Esses métodos incluem:
• disparo de pulso
O uso de pulsos curtos e de alta corrente para ativar o SCR garante que ele gire de maneira confiável, mesmo em ambientes barulhentos.
• Triggering controlado por fase
O alinhamento do acionamento SCR com a fonte CA permite controle preciso sobre a energia enviada para a carga.
• desencadear opticamente isolado
O uso de isoladores ópticos para acionar o SCR fornece isolamento elétrico e protege o circuito de controle de altas tensões.
• Triggering baseado em microcontrolador
O uso de microcontroladores para gerar pulsos de acionamento preciso permite esquemas de controle sofisticados e melhor desempenho em configurações complexas.
Acionamento SCR baseado em microcontrolador
Figura 17: acionamento de SCR baseado em microcontrolador
Essas técnicas de acionamento avançado oferecem mais flexibilidade e controle em aplicações de SCR, tornando -as adequadas para uma ampla gama de eletrônicos industriais e de consumo.Ao usar esses métodos, os engenheiros podem obter um controle mais preciso e confiável sobre os sistemas de gerenciamento de energia, melhorando a eficiência geral e o desempenho das soluções baseadas em SCR.
Scrs em eletrônicos de energia modernos
Os SCRs são peças -chave na criação de sistemas de controle de energia eficientes e confiáveis.Eles fazem uma grande diferença em várias áreas principais, incluindo:
Sistemas de energia renovável: SCRs são usados em inversores e controladores de energia para converter e gerenciar energia de fontes renováveis como solar e vento.Eles lidam com os altos níveis de potência e fornecem controle preciso, tornando -os perfeitos para essas aplicações.
Veículos elétricos: em veículos elétricos (VEs), os SCRs são usados em controladores de motor e sistemas de carregamento de bateria.Eles gerenciam o fluxo de energia entre a bateria e o motor, garantindo operação eficiente e maior duração da bateria.
Grades inteligentes: em aplicativos de grade inteligente, os SCRs gerenciam a distribuição de energia elétrica.Eles são usados em inversores amarrados na grade, reguladores de tensão e controladores de ângulo de fase para garantir a entrega de energia estável e eficiente.
Automação industrial: os SCRs são usados em acionamentos motores, controles de aquecimento e sistemas de controle de processos na automação industrial.Eles lidam com alta potência e fornecem controle preciso, tornando -os componentes principais nos processos automatizados de fabricação.
Fontes de alimentação ininterrupta (UPS): os SCRs fornecem backup de energia confiável durante interrupções nos sistemas UPS.Eles ajudam a alternar sem problemas entre a fonte de alimentação principal e a fonte de energia de backup, garantindo energia contínua para os principais sistemas.
Tendências e inovações futuras na tecnologia SCR
O desenvolvimento da tecnologia SCR continua melhorando para atender à necessidade de controle de energia melhor e mais confiável.Novos materiais semicondutores, como o carboneto de silício (SIC) e o nitreto de gálio (GaN), fazem com que os SCRs funcionem melhor, lidando com tensões mais altas, reduzindo a resistência e melhorando o gerenciamento do calor.Os tiristores comutados portão integrados (IGCTs) combinam as vantagens dos GTOs e IGBTs, oferecendo comutação rápida, baixa perda de energia e a capacidade de lidar com alta potência para aplicações exigentes.Os métodos de controle digital com SCRs permitem controle preciso e flexível, tornando os sistemas mais eficientes e confiáveis.Os avanços nas técnicas de fabricação tornam os SCRs menores e adequados para dispositivos portáteis, o que é útil para a eletrônica de consumo.Recursos de proteção aprimorados em SCRs, como circuitos de amortecedor embutidos e proteção de sobrecorrente, também os tornam mais confiáveis e fáceis de usar.
Conclusão
A corrente de controle flui para os portões através do resistor R3 quando um interruptor externo (mecânico ou eletrônico) conecta os terminais de controle.Esse interruptor pode ser controlado por sensores como luz, calor ou pressão, que ativam um amplificador eletrônico.Quando o interruptor fecha, o gatilho do SCRS com cada ciclo AC, permitindo a energia da carga.Quando o interruptor se abre, os SCRs não disparam, interrompendo o fluxo de energia.Esse mecanismo controla a energia CA para a carga.
Melhorias em materiais semicondutores, como o carboneto de silício (SIC) e o nitreto de gálio (GaN), tornarão os SCRs mais eficientes e duráveis.Inovações como os tiristores comutados portão integrado (IGCTs) e as técnicas de controle digital aumentarão o desempenho do SCR com comutação mais rápida, mais baixas perdas de energia e melhor confiabilidade.Os SCRs continuarão a desempenhar um papel fundamental em novas tecnologias, de grades inteligentes a veículos elétricos, garantindo controle de energia eficiente e confiável.
Perguntas frequentes [FAQ]
1. Quais são as vantagens do retificador controlado por silício?
O retificador controlado por silício (SCR) oferece vários benefícios, incluindo controle de energia eficiente, alta confiabilidade, capacidade de lidar com altas tensões e correntes e controle preciso sobre o fluxo de energia.Os SCRs também fornecem velocidades de comutação rápidas e são duráveis em ambientes agressivos, tornando -os adequados para vários usos industriais.
2. Qual é o objetivo do diodo do retificador de silício?
Um diodo retificador de silício é usado para converter corrente alternada (AC) em corrente direta (CC).Ele permite que a corrente flua em apenas uma direção, fornecendo a retificação, necessária nas fontes de alimentação e outros circuitos eletrônicos.
3. Por que precisamos de retificador controlado?
Os retificadores controlados são usados para gerenciar e controlar com precisão o fluxo de energia em dispositivos eletrônicos.Eles permitem ajustar a tensão e a corrente de saída, o que é necessário em aplicações como controle de velocidade do motor, fontes de alimentação e luzes de escurecimento.Os retificadores controlados melhoram a eficiência e fornecem estabilidade na entrega de energia.
5. Qual é a conclusão do SCR?
O SCR é um componente versátil e confiável em eletrônicos de potência.Ele fornece controle preciso sobre aplicações de alta potência e tensão, tornando -o valioso em várias indústrias.Os SCRs continuam a melhorar com os avanços em materiais e tecnologia, garantindo sua relevância em aplicativos futuros.
6. Quais são as aplicações do diodo retificador controlado por silício?
As aplicações de diodos retificadores controlados por silício incluem controle de velocidade do motor, escurecimento da luz, regulação de energia nos sistemas de energia CA e CC, proteção de sobretensão e inversores.Eles também são usados em automação industrial, fontes de alimentação e sistemas de energia renovável, como conversores solares e de energia eólica.