Сами по себе диоды Шокли весьма любопытные устройства, но их применение весьма ограничено. Однако от них можно получит больше пользы, снабдив их другими средствами фиксации. В каждом случае при этом они становятся настоящими усилителями (хотя бы в режиме включения/выключения), и называются кремниевыми выпрямителями или SCR-тиристорами (от англ. silicon-controlled rectifier).
Если затвор SCR-тиристора остаётся отключённым, устройство ведёт себя точно так же, как диод Шокли. Фиксация может происходить за счёт напряжения размыкания или при превышении критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом, как и в случае с диодом Шокли. Отключение достигается за счёт уменьшения тока до тех пор, пока один или оба внутренних транзистора не перейдут в режим отсечки, также как и диод Шокли. Однако, поскольку вывод затвора подключается непосредственно к базе нижнего транзистора, его можно использовать в качестве альтернативного средства для фиксации SCR. При приложении небольшого напряжения между затвором и катодом, нижний транзистор будет принудительно включаться результирующим базовым током, что приведёт к тому, что верхний транзистор будет проводить ток, который затем подаёт ток на базу нижнего транзистора, так что его больше не нужно активировать напряжением затвора. Необходимый ток затвора для инициирования фиксации, конечно, будет намного ниже, чем ток от катода к аноду, поэтому SCR действительно обеспечивает некоторое усиление.
Срабатывание/запуск
Этот метод обеспечения проводимости SCR называется запуском или срабатыванием, и это, безусловно, наиболее распространённый способ фиксации SCR на практике. Фактически, тиристоры обычно выбираются так, чтобы их напряжение переключения намного превышало максимальное напряжение, которое ожидается от источника питания, поэтому его можно включить только преднамеренно большим импульсом напряжения, приложенным к затвору.
Обратный запуск
Следует отметить, что тиристоры иногда могут отключаться путем прямого замыкания их выводов затвора и катода вместе или с помощью т.н. «обратного запуска» затвора с помощью отрицательного напряжения (относительно катода), так что нижний транзистор принудительно включается в режиме отсечки. Я говорю, что это возможно «иногда» (а не «всегда»), потому что это включает в себя шунтирование всего коллекторного тока верхнего транзистора через базу нижнего транзистора. Этот ток может быть значительным, что в лучшем случае затрудняет триггерное отключение SCR. Вариант SCR, называемый запираемым тиристором, или GTO (от англ. Gate-Turn-Off), упрощает эту задачу. Но даже с GTO ток затвора, необходимый для его выключения, может составлять до 20% от анодного (нагрузочного) тока! Символ GTO для электрических схем:
SCR и GTO имеют одинаковую эквивалентную схему (два транзистора, подключённые по принципу положительной обратной связи), различия заключаются только в деталях конструкции, предназначенных для предоставления транзисторуNPN большего β, чем PNP. Это позволяет меньшему току затвора (прямому или обратному) оказывать бо́льшую степень контроля над проводимостью от катода к аноду, при этом фиксированное состояние PNP-транзистора в большей степени зависит от NPN, чем наоборот. Тиристор с запертым затвором также известен как управляемый затвором тиристор или GCS-тиристором (от англ. gate-controlled switch).
Проверка работоспособности SCR-тиристора с помощью омметра
Элементарная проверка работоспособности SCR или, по крайней мере, идентификация клемм может быть выполнена с помощью обычного омметра. Поскольку внутреннее соединение между затвором и катодом является единым P-N-переходом, измеритель должен показывать непрерывность между этими выводами с помощью красного измерительного провода на затворе и чёрного измерительного провода на катоде:
Все остальные измерения целостности, выполненные на SCR, будут показывать «разомкнут» («OL» на некоторых дисплеях цифровых мультиметров). Следует понимать, что этот тест является очень поверхностным и не представляет собой исчерпывающую оценку для SCR. SCR может давать хорошие показания омметра и при этом оставаться неисправным. В конечном счёте, единственный способ проверить SCR – это пропустить через него нагрузочный ток.
Если вы используете мультиметр с функцией «Проверка диодов», полученное вами показание напряжения перехода затвор/катод может соответствовать или не соответствовать тому, что ожидается от кремниевого P-N-перехода (приблизительно 0,7 В). В некоторых случаях вы увидите гораздо более низкое напряжение перехода: всего сотые доли вольта. Это связано с внутренним резистором, подключённым между затвором и катодом, встроенным в некоторые тиристоры. Этот резистор добавлен, чтобы сделать тиристор менее восприимчивым к ложному срабатыванию из-за паразитных скачков напряжения, «шума» цепи или статического электрического разряда. Другими словами, наличие резистора, подключённого к переходу затвор/катод, требует подачи сильного пускового сигнала (значительного тока) для фиксации тиристора. Эта функция часто встречается в больших SCR, а не в маленьких. Помните, что SCR с внутренним резистором, подключённым между затвором и катодом, будет указывать на целостность соединения в обоих направлениях между этими двумя выводами:
«Нормальные» тиристоры, в которых отсутствует этот внутренний резистор, иногда называют тиристорами с чувствительными затворами из-за их способности срабатывать при малейшем положительном сигнале затвора.
Схема проверки ниже практична как диагностический инструмент для проверки SCR, вызывающих подозрение, а также является отличным помощником для понимания основных операций SCR. Источник постоянного напряжения используется для питания схемы, а два кнопочных переключателя используются для фиксации и разблокировки тиристора, соответственно:
При нажатии на «Вкл.» затвор соединяется с анодом, пропуская ток от положительного вывода батареи, через нагрузочный резистор, через переключатель, через P-N-переход катод/затвор и обратно к батарее. Этот ток затвора должен вынудить SCR зафиксироваться, позволяя току проходить напрямую от анода к катоду без дальнейшего запуска через затвор. Когда кнопка «Вкл.» отпущена, нагрузка должна оставаться под напряжением.
Нажатие на «Выкл.» разрывает цепь, заставляя ток, проходящий через тиристор, остановиться, тем самым вынуждая его запереться (выпадение слабого тока, который стал ниже минимального тока удержания).
Если SCR не фиксируется, проблема может быть в нагрузке, а не в SCR. Определённая минимальная величина тока нагрузки требуется, чтобы удерживать тиристор во включённом состоянии. Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может не потреблять достаточно тока, чтобы тиристор был отпёртым, когда ток затвора прекращается, что создаёт ложное впечатление о плохом (нефиксируемом) тиристоре в тестовой цепи. Значения тока удержания для различных тиристоров должны предоставляться производителями. Типичные значения тока удержания находятся в диапазоне от 1 мА до 50 мА или больше для более крупных устройств.
Чтобы проверка была полной, необходимо протестировать не только запуск. Предел прямого напряжения переключения SCR может быть протестирован путём увеличения напряжения постоянного тока (без нажатия кнопки) до тех пор, пока SCR не отопрётся самостоятельно. Будьте аккуратны: тест на переключение может потребовать очень высокого напряжения, многие силовые тиристоры имеют номинальное напряжение переключения 600 вольт и более! Кроме того, если доступен генератор импульсного напряжения, критическая скорость нарастания напряжения для SCR может быть проверена таким же образом: можно подвергнуть его импульсному напряжению питания с разной скоростью (соотношение напряжение/время) без срабатывания кнопочных переключателей и посмотреть, когда он отопрётся.
В этой простой испытательной схеме SCR может быть достаточно в качестве схемы управления пуском/остановкой для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки:
Рис. 6. Цепь управления пуском/остановкой двигателя постоянного тока.
Схема «монтировки»
Ещё одно практическое применение SCR в цепи постоянного тока – это устройство «монтировки» для защиты от перенапряжения. Такая схема состоит из тиристора, размещённого параллельно с выходом источника питания постоянного тока, для прямого короткого замыкания на выходе этого источника, чтобы предотвратить попадание чрезмерного напряжения на нагрузку. Повреждение SCR и источника питания предотвращается заблаговременным размещением предохранителя или значительным последовательным сопротивлением перед SCR для ограничения тока короткого замыкания:
Рис. 7. Схема «монтировки», используемая в блоке питания постоянного тока.
Некоторые устройства или схемы, определяющие выходное напряжение, будут подключены к затвору SCR, так что при возникновении состояния перенапряжения напряжение будет приложено между затвором и катодом, запустив SCR и заставив плавкий предохранитель перегореть. Эффект будет примерно таким же, как при падении стальной монтировки прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и такое странное название схемы.
Большинство приложений SCR предназначены для управления мощностью переменного тока, хотя SCR по своей сути являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если требуется двунаправленный ток в цепи, можно использовать несколько тиристоров, чтобы в каждом направлении были обращены один или несколько тиристоров, в этом случае ток обрабатывается для обоих полупериодов полной волны переменного тока. Основная причина, по которой тиристоры вообще используются для управления мощностью переменного тока – это уникальная реакция тиристора на переменный ток. Как мы уже видели, тиратронная лампа (электронная ламповая версия SCR) и DIAC (гистерезисное устройство, срабатывающее во время каждого полупериода волны переменного тока), будут фиксироваться и оставаться включёнными в течение оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток уменьшается до нуля, так как с этого начинается следующий полупериод. Непосредственно перед точкой перехода через нуль текущего сигнала, тиристор отключится из-за недостаточного тока (это поведение также известно как естественная коммутация), и его необходимо снова запустить во время следующего цикла. В результате ток в цепи эквивалентен «усечённой» синусоидальной волне. Для понимания, вот график реакции DIAC на напряжение переменного тока, пик которого превышает напряжение отключения DIAC:
В случае DIAC этот предел напряжения отключения был фиксированной величиной. С помощью SCR мы можем точно контролировать момент фиксации устройства, запуская логический элемент в любой момент времени на осциллограмме. Подключив подходящую схему управления к затвору SCR, мы можем «отсечь» синусоидальную волну в любой точке, чтобы обеспечить пропорциональное во времени управление мощностью нагрузки.
В качестве примера возьмём схему на рисунке 9 ниже. Здесь SCR расположен в цепи для управления мощностью нагрузки от источника переменного тока.
Рис. 9.SCR для контроля мощности переменного тока.
Будучи однонаправленным (односторонним) устройством, в лучшем случае мы можем подавать на нагрузку только полуволновую мощность в полупериоде переменного тока, когда полярность напряжения питания положительная вверху и отрицательная внизу. Однако для демонстрации основной концепции пропорционального времени управления эта простая схема лучше, чем единая схема управления двухполупериодной мощностью (для которой потребовалось бы два SCR).
Без срабатывания затвора и напряжения источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения отключения тиристора, тиристор никогда не включится. Подключение затвора SCR к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через затвор в случае, если SCR содержит встроенный резисторзатвор/катод), позволит запускать SCR почти сразу в начале каждого положительного полупериода:
Рис. 10.Затвор подключён напрямую к аноду через диод; наблюдается почти полная полуволна тока, проходящего через нагрузку.
Однако мы можем задержать срабатывание SCR, добавив некоторое сопротивление в схему затвора, тем самым увеличив величину падения напряжения, требуемого до того, как достаточный ток затвора запустит SCR. Другими словами, если мы усложним прохождение тока через затвор, добавив сопротивление, напряжение переменного тока должно будет достичь более высокой точки в своём цикле, прежде чем ток затвора станет достаточным для включения SCR. Результат показан на рисунке ниже.
Рис. 11. В цепь затвора добавлено сопротивление; менее полуволны тока проходит через нагрузку.
Поскольку полусинусоидальная волна в большей степени прерывается из-за отложенного срабатывания SCR, нагрузка получает меньшую среднюю мощность (мощность доставляется в течение меньшего времени в течение полного цикла). Сделав резистор, последовательный затвору, переменным, мы можем отрегулировать пропорциональную времени мощность:
Рис. 12. Увеличение сопротивления приводит к повышению порогового уровня, в результате чего на нагрузку поступает меньше мощности. Уменьшение сопротивления снижает пороговый уровень, в результате чего на нагрузку поступает больше мощности.
К сожалению, у этой схемы управления есть существенное ограничение. При использовании сигнала от источника переменного тока для нашего сигнала запуска SCR мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем ждать, пока волна достигнет пика, чтобы запустить SCR. Это означает, что мы можем уменьшить мощность только до точки, в которой SCR включается на самом пике волны:
Рис. 13. Цепь при минимальной настройке мощности.
Дальнейшее повышение порога запуска приведёт к тому, что схема вообще не сработает, поскольку даже пика напряжения переменного тока недостаточно для срабатывания SCR. В результате на нагрузку не подаётся питание.
Гениальное решение этой дилеммы управления заключается в добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора.
Рис. 14. Добавление в схему конденсатора для сдвига фазы.
Меньшая волна, показанная на графике – это напряжение на конденсаторе. Чтобы проиллюстрировать фазовый сдвиг, я предполагаю состояние максимального управляющего сопротивления, при котором тиристор не срабатывает вообще без тока нагрузки, за исключением того небольшого тока, который проходит через управляющий резистор и конденсатор. Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0° до 90°, отставая от сигнала переменного тока источника питания. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, срабатывает тиристор.
При достаточном напряжении на конденсаторе для периодического срабатывания SCR, результирующая волна тока нагрузки будет выглядеть примерно так:
Рис. 15. Сигнал с фазовым сдвигом запускает SCR в зону проводимости.
Поскольку волна для конденсатора всё ещё нарастает после того, как основная волна мощности переменного тока достигла своего пика, становится возможным запускать SCR на пороговом уровне, превышающем этот пик, тем самым прерывая волну тока нагрузки на более дальнем участке, чем это было возможно с более простой схемой. На самом деле волны напряжения конденсатора немного сложнее, чем то, что показано здесь, её синусоидальная форма искажается каждый раз, когда тиристор срабатывает. Однако то, что я пытаюсь тут проиллюстрировать – это отложенное срабатывание запуска, полученное с помощью фазосдвигающей R/C-цепи; таким образом, упрощённая, неискажённая волна сигнала хорошо служит этой цели.
SCR также могут запускаться («отпираться») более сложными схемами. В то время как ранее показанная схема достаточна для простого применения, вроде управления лампой, большие промышленные системы управления двигателями часто полагаются на более сложные методы запуска. Иногда импульсные трансформаторы используются для соединения цепи запуска с затвором и катодомSCR, чтобы обеспечить электрическую изоляцию между цепями запуска и питания.
Рис. 16. Трансформаторная связь пускового сигнала обеспечивает изоляцию.
Когда несколько тиристоров используются для управления мощностью, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение одной цепи запуска ко всем тиристорам в равной степени. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель:
В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в данном примере это выпрямительные тиристоры) должны проводить встречные пары. SCR1 и SCR3 должны запускаться одновременно, а SCR2 и SCR4 должны запускаться вместе как пара. Однако, как вы заметите, эти пары тиристоров не используют одни и те же катодные соединения, а это означает, что просто параллельное соединение их соответствующих затворов и подключение одного источника напряжения для запуска обоих не получится:
Рис. 18. Эта стратегия не будет работать для запуска SCR2 и SCR4 как пары.
Хотя показанный источник напряжения запуска будет запускать SCR4, он не будет запускать SCR2 должным образом, потому что два тиристора не имеют общего катодного соединения в качестве опорной точки для этого пускового напряжения. Однако импульсные трансформаторы, соединяющие два тиристорных затвора с общим источником пускового напряжения, будут работать:
Рис. 19. Трансформаторная связь затворов позволяет срабатывать и SCR2, и SCR4.
Имейте в виду, что на этой схеме показаны соединения затвора только для двух из четырёх тиристоров. Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR1 и SCR3, а также детали самих источников импульсов для простоты опущены.
Выпрямители с управляемым мостом не ограничиваются однофазными конструкциями. В большинстве промышленных систем управления питание переменного тока доступно в трёхфазной форме для максимальной эффективности, и полупроводниковые схемы управления построены для использования этого преимущества. Трёхфазная контролируемая цепь выпрямителя содержит тиристоры, импульсные трансформаторы или запускающие схемы не показаны:
Рис. 20. Трёхфазный мост SCR для управления нагрузкой.
Итог
Управляемый кремниевый выпрямитель, он же SCR-тиристор, по сути, представляет собой диод Шокли с дополнительным выводом. Эта добавленная клемма называется затвором (или управляющим электродом) и используется для запуска устройства в режим проводимости (отпирает его) путем приложения небольшого напряжения. Чтобы запустить (отпереть) SCR, необходимо приложить напряжение между затвором и катодом, (+) к затвору и (-) к катоду.
При проверке SCR кратковременное соединение между затвором и анодом обладает достаточной для запуска полярностью, интенсивностью и продолжительностью. SCR могут срабатывать при преднамеренном срабатывании вывода затвора, чрезмерном напряжении (пробое) между анодом и катодом или высокой скорости нарастания напряжения между анодом и катодом. Тиристоры могут быть отключены анодным током, падающим ниже значения тока удержания (выключение по низкому току) или с помощью «обратного запуска» затвора (подачей отрицательного напряжения на затвор). Обратный запуск эффективен только при большом токе затвора.
Вариант SCR, называемый запираемым тиристором или тиристором с выключенным затвором (GTO), специально разработан для отключения посредством обратного запуска. Даже в этом случае для обратного запуска требуется довольно большой ток: обычно 20% анодного тока. Выводы SCR могут быть идентифицированы если их «прозвонить» мультиметром: единственными двумя клеммами, дающими какие-либо показания между ними, должны быть затвор и катод. Выводы затвора и катода подключаются к P-N-переходу внутри SCR, поэтому измеритель целостности цепи должен получать показания, характерные для диодов, между этими двумя выводами с красным (+) выводом на затворе и чёрным (-) выводом на катоде. Однако помните, что некоторые большие тиристоры имеют внутренний резистор, подключённый между затвором и катодом, что повлияет на любые показания, снятые измерителем.
SCR – самые настоящие выпрямители: они пропускают через себя ток только в одном направлении. Это означает, что их нельзя использовать отдельно для управления двухполупериодным переменным током. Если диоды в схеме выпрямителя заменить на тиристоры, то это уже будет схема управляемого выпрямителя, в соответствии с которой мощность постоянного тока на нагрузке может быть пропорциональной по времени за счёт срабатывания тиристоров в разных точках волны переменного тока.
