L'elettronica di potenza moderna è iniziata davvero con l'avvento dei tiristori. I tiristori sono anche noti come raddrizzatori controllati al silicio o SCR. Questi sono dispositivi semiconduttori a quattro strati e tre terminali. E i tiristori sono dispositivi unidirezionali.
I raddrizzatori controllati al silicio sono dispositivi semiconduttori tipicamente utilizzati per controllare l'alta potenza accoppiata ad alta tensione. Pertanto, questi dispositivi trovano applicazione in sistemi di controllo dell'alimentazione CA ad alta tensione, circuiti dimmer per lampade, circuiti di regolazione, ecc. L'SCR trova anche applicazione nella rettifica di CA ad alta potenza nella trasmissione di potenza CC ad alta tensione. L'SCR appartiene alla famiglia dei tiristori e in realtà il nome SCR è il nome commerciale del tiristore di General Electrics.
L'SCR è un dispositivo a quattro strati con materiali di tipo N e P. alternati. L'SCR è costituito da un semiconduttore a quattro strati che forma una struttura PNPN o NPNP. Il silicio viene utilizzato come semiconduttore intrinseco, a cui vengono aggiunti i droganti appropriati. Ha tre terminali chiamati anodo, catodo e gate. Il catodo è il più drogato e il gate e l'anodo sono meno drogati. Lo strato centrale di tipo N è solo leggermente drogato ed è anche più spesso degli altri strati che gli consentono di supportare un'elevata tensione di blocco.
L'SCR ha tre giunzioni: J1, J2 e J3. L'anodo è collegato al materiale di tipo P della struttura PNPN mentre il catodo è collegato al materiale di tipo N. Il Gate è collegato al materiale di tipo P vicino al catodo.
Questi sono dispositivi unidirezionali e conducono la corrente solo in una direzione. Questo è da anodo a catodo. L'attivazione di SCR avviene quando il suo gate riceve una tensione positiva. L'SCR viene generalmente utilizzato in applicazioni di commutazione come driver relè, caricabatterie, ecc.
Il tiristore ha tre stati fondamentali:
Blocco inverso: In questo stato, il tiristore blocca la corrente allo stesso modo di un diodo a polarizzazione inversa.
Blocco in avanti: In questo stato, il funzionamento a tiristori è tale da bloccare la conduzione della corrente diretta che normalmente sarebbe portata da un diodo polarizzato in avanti.
Conduzione diretta: In questo stato, il tiristore è stato attivato in conduzione. Rimarrà in conduzione finché la corrente diretta non scende al di sotto di un valore di soglia noto come corrente di mantenimento.
Funzionamento a tiristori
SIMBOLO SCR
L'SCR inizia la conduzione quando è polarizzato in avanti. A tale scopo, il catodo è mantenuto a tensione negativa e l'anodo a tensione positiva. Quando la tensione di polarizzazione diretta viene applicata all'SCR, la giunzione J1 e J3 diventa polarizzata in avanti mentre la giunzione J2 diventa polarizzata inversa. Quando viene applicata una tensione positiva al gate, la giunzione J2 diventa polarizzata in avanti e l'SCR si accende.
Durante il funzionamento, il tiristore può essere considerato come un transistor NPN e PNP collegato schiena contro schiena, formando un anello di feedback positivo all'interno del dispositivo. Il transistor con il suo emettitore connesso al catodo del tiristore è un dispositivo NPN mentre il transistor con il suo emettitore connesso all'anodo del il tiristore è un dispositivo PNP . Il gate è collegato alla base del transistor NPN. L'uscita di un transistor è alimentata all'ingresso del secondo e l'uscita del secondo transistor è, a sua volta, ricondotta all'ingresso del primo. Ciò significa che quando una corrente inizia a fluire, si accumula rapidamente fino a quando entrambi i transistor sono completamente accesi o saturati. Vediamo un piccolo esempio:
Dal circuito sottostante, qui abbiamo usato un tiristore TYN616.
- Quando il gate è aperto, vengono determinate tre tensioni di break-over sulla tensione diretta minima alla quale il tiristore conduce pesantemente. Ora, la maggior parte della tensione di alimentazione appare attraverso la resistenza di carico. La corrente di mantenimento è la massima corrente anodica che viene aperta quando si verifica una rottura.
- Quando il gate nello stato OFF il tiristore fornisce una resistenza infinita rispetto allo stato ON, offre una resistenza molto bassa, che è compresa tra 0,010 e 10.
Modalità di attivazione
Nel normale stato spento, SCR impedisce il flusso di corrente attraverso di esso, ma quando la tensione del gate al catodo aumenta e supera un determinato livello, SCR si accende e conduce come un transistor. Una caratteristica importante dell'SCR è che, una volta condotto, rimane bloccato e continua a condurre anche dopo che la tensione di gate è stata rimossa. L'SCR rimane attivo finché la corrente di mantenimento dei dispositivi non scende a un valore basso. Ma se il gate riceve una tensione pulsante e la corrente che lo attraversa è inferiore alla corrente di blocco, l'SCR rimarrà nello stato spento. L'SCR può essere attivato senza una tensione positiva al gate. L'SCR è solitamente collegato con l'anodo alla guida positiva e il catodo alla guida negativa. Se la tensione applicata all'anodo aumenta, l'accoppiamento capacitivo nel dispositivo induce la carica nel gate e si innesca l'SCR. Questo tipo di trigger senza la corrente del gate esterno è noto come 'trigger DV / dt'. Questo di solito si verifica all'accensione. Questo è chiamato effetto Rate.
Ma l'attivazione DV / dt non attiverà completamente l'SCR e l'SCR parzialmente attivato dissiperà molta potenza e il dispositivo potrebbe danneggiarsi. Per impedire l'attivazione di DV / dt, viene utilizzata una rete snubber. Un'altra modalità di attivazione consiste nell'aumentare la tensione diretta dell'SCR al di sopra della sua tensione di rottura nominale. L'attivazione della tensione diretta si verifica quando la tensione attraverso l'SCR aumenta con il gate aperto. Questo è chiamato 'Avalanche breakdown' durante il quale la giunzione 2 del dispositivo si rompe. Anche questo accende parzialmente l'SCR e danneggerà il dispositivo. Quindi la tensione non deve superare la tensione nominale dell'SCR.
Come spegnere l'SCR?
Una volta che l'SCR è acceso, sarà in modalità di conduzione anche dopo che la corrente di gate è stata rimossa. Questo è il blocco SCR. L'SCR può essere disattivato tramite attivazione inversa. Può essere fatto applicando una tensione negativa al gate. Il dispositivo può anche essere spento rimuovendo la corrente anodica o cortocircuitando momentaneamente il gate e il catodo.
Applicazioni del tiristore:
I tiristori sono utilizzati principalmente in dispositivi dove è richiesto il controllo di alte potenze, eventualmente abbinate ad alta tensione. Il loro funzionamento li rende adatti per l'uso in applicazioni di controllo dell'alimentazione CA a media e alta tensione, ad esempio dimmerazione della lampada, controller e controllo del motore .
Un'applicazione di SCR - Controllo relè tramite SCR:
Se l'interruttore S1 viene premuto momentaneamente, il relè si accenderà. Può essere disattivato premendo S2.
Se l'interruttore S1 viene sostituito con un LDR e R1 con 4,7 K preimpostato, il relè si accenderà quando la luce si accende su LDR. Preset regola il punto di attivazione.
Se l'interruttore S1 viene sostituito con un termistore NTC (coefficiente di temperatura negativo) da 4,7 K e R1 con un valore preimpostato da 1 K, il relè si attiva quando la temperatura aumenta. Preset regola il punto di attivazione.
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