Кремниевый управляемый выпрямитель или полупроводниковый управляемый выпрямитель — это четырехслойное твердотельное устройство управления током . Название «кремниевый управляемый выпрямитель» — это торговое название типа тиристора компании General Electric . Принцип четырехслойного p–n–p–n переключения был разработан Моллом, Таненбаумом, Голди и Холоньяком из Bell Laboratories в 1956 году. [1] Практическая демонстрация кремниевого управляемого переключения и подробное теоретическое поведение устройства в соответствии с экспериментальными результатами были представлены доктором Яном М. Макинтошем из Bell Laboratories в январе 1958 года. [2] [3] SCR был разработан группой инженеров-энергетиков во главе с Гордоном Холлом [4] [5] [6] [7] и коммерциализирован Фрэнком В. «Биллом» Гуцвиллером в 1957 году.
Некоторые источники определяют кремниевые управляемые выпрямители и тиристоры как синонимы [8] , в то время как другие источники определяют кремниевые управляемые выпрямители как надлежащее подмножество набора тиристоров; последние представляют собой устройства с по крайней мере четырьмя слоями чередующегося материала n- и p-типа . [9] [10] По словам Билла Гуцвиллера, термины «SCR» и «управляемый выпрямитель» появились раньше, а «тиристор» стал применяться позже, поскольку использование этого устройства распространилось по всему миру. [11]
SCR-устройства являются однонаправленными устройствами (т. е. могут проводить ток только в одном направлении) в отличие от TRIAC , которые являются двунаправленными (т. е. носители заряда могут проходить через них в любом направлении). SCR-устройства могут нормально запускаться только положительным током, поступающим на затвор, в отличие от TRIAC, которые могут запускаться как положительным, так и отрицательным током, подаваемым на его затвор.
В зависимости от приданного ему смещения существует три режима работы SCR:
В этом режиме работы на анод (+, p-легированная сторона) подается положительное напряжение, а на катод (−, n-легированная сторона) подается отрицательное напряжение, что поддерживает затвор при нулевом (0) потенциале, т.е. отключенным. В этом случае соединение J1 и J3 смещено в прямом направлении , в то время как J2 смещено в обратном направлении , что допускает лишь небольшой ток утечки от анода к катоду. Когда приложенное напряжение достигает значения пробоя для J2 , тогда J2 претерпевает лавинный пробой. При этом напряжении пробоя J2 начинает проводить ток, но ниже напряжения пробоя J2 оказывает очень высокое сопротивление току, и говорят, что SCR находится в выключенном состоянии.
SCR можно перевести из режима блокировки в режим проводимости двумя способами: либо увеличив напряжение между анодом и катодом сверх напряжения пробоя, либо подав положительный импульс на затвор. Как только SCR начинает проводить, больше не требуется напряжения затвора для поддержания его в состоянии ВКЛ . Минимальный ток, необходимый для поддержания SCR в состоянии ВКЛ при снятии напряжения затвора, называется током защелкивания.
Есть два способа отключить его :
Когда отрицательное напряжение подается на анод, а положительное — на катод, SCR находится в режиме обратной блокировки, делая J1 и J3 обратно смещенными, а J2 — прямо смещенным. Устройство ведет себя как два диода, соединенных последовательно. Протекает небольшой ток утечки. Это режим обратной блокировки. Если обратное напряжение увеличивается, то при критическом уровне пробоя, называемом обратным напряжением пробоя (V BR ), на J1 и J3 происходит лавина, и обратный ток быстро увеличивается. SCR доступны с возможностью обратной блокировки, что добавляет к прямому падению напряжения из-за необходимости иметь длинную, низколегированную область P1. Обычно номинальное напряжение обратной блокировки и номинальное напряжение прямой блокировки одинаковы. Типичное применение SCR с обратной блокировкой — в инверторах источника тока.
SCR, неспособный блокировать обратное напряжение, известен как асимметричный SCR , сокращенно ASCR . Обычно он имеет номинал обратного пробоя в десятки вольт. ASCR используются там, где либо параллельно применяется диод обратной проводимости (например, в инверторах источника напряжения), либо там, где обратное напряжение никогда не возникнет (например, в импульсных источниках питания или тяговых прерывателях постоянного тока).
Асимметричные SCR могут быть изготовлены с диодом обратной проводимости в том же корпусе. Они известны как RCT, для тиристоров обратной проводимости .
Запуск по прямому напряжению происходит, когда прямое напряжение анод-катод увеличивается при разомкнутой цепи затвора. Это известно как лавинный пробой, во время которого соединение J2 пробивается. При достаточном напряжении тиристор переходит в состояние включения с малым падением напряжения и большим прямым током. В этом случае J1 и J3 уже смещены в прямом направлении .
Для того чтобы произошло срабатывание затвора, тиристор должен находиться в прямом запирающем состоянии, когда приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, в противном случае может произойти срабатывание прямого напряжения. Затем между затвором и катодом можно подать один небольшой положительный импульс напряжения. Это подает один импульс тока затвора, который переводит тиристор в состояние включения. На практике это наиболее распространенный метод, используемый для срабатывания тиристора.
Температурный запуск происходит, когда ширина обедненной области уменьшается с ростом температуры. Когда SCR находится вблизи VPO, очень небольшое увеличение температуры приводит к удалению соединения J2, что запускает устройство.
Простую схему SCR можно проиллюстрировать с помощью источника переменного напряжения, подключенного к SCR с резистивной нагрузкой. Без приложенного импульса тока к затвору SCR SCR остается в своем прямом блокирующем состоянии. Это делает начало проводимости SCR контролируемым. Угол задержки α, который является моментом приложения импульса тока затвора относительно момента естественной проводимости (ωt = 0), управляет началом проводимости. После того, как SCR проводит, SCR не выключается, пока ток через SCR, i s , не станет отрицательным. i s остается равным нулю, пока не будет приложен другой импульс тока затвора, и SCR снова начнет проводить. [12]
SCR в основном используются в устройствах, где требуется управление высокой мощностью, возможно, в сочетании с высоким напряжением. Их работа делает их пригодными для использования в приложениях управления питанием переменного тока среднего и высокого напряжения, таких как затемнение ламп , регуляторы мощности и управление двигателем.
SCR и аналогичные устройства используются для выпрямления переменного тока высокой мощности в передаче постоянного тока высокого напряжения . Они также используются для управления сварочными аппаратами, в основном для сварки вольфрамовым электродом в газе и аналогичных процессов. Он используется в качестве электронного переключателя в различных устройствах. Ранние твердотельные пинбольные автоматы использовали их для управления освещением, соленоидами и другими функциями электронным способом, а не механическим, отсюда и название «твердотельный».
Другие области применения включают силовые коммутационные схемы, управляемые выпрямители, управление скоростью шунтовых двигателей постоянного тока, тиристорные пускатели, компьютерные логические схемы, схемы синхронизации и инверторы.
Кремниевый управляемый переключатель (SCS) ведет себя почти так же, как SCR; но есть несколько отличий. В отличие от SCR, SCS отключается, когда положительное напряжение/входной ток подается на другой вывод анодного затвора. В отличие от SCR, SCS может быть переведен в состояние проводимости, когда отрицательное напряжение/выходной ток подается на тот же вывод.
SCS полезны практически во всех схемах, где требуется переключатель, который включается/выключается посредством двух отдельных управляющих импульсов. Это включает в себя схемы переключения питания, логические схемы, драйверы ламп и счетчики.
TRIAC похож на SCR, поскольку оба они действуют как электрически управляемые переключатели. В отличие от SCR, TRIAC может пропускать ток в любом направлении. Таким образом, TRIAC особенно полезны для приложений переменного тока. TRIAC имеют три вывода: вывод затвора и два проводящих вывода, называемых MT1 и MT2. Если на вывод затвора не подается ток/напряжение, TRIAC выключается. С другой стороны, если на вывод затвора подается напряжение запуска, TRIAC включается.
Симисторы подходят для схем регулирования яркости света, схем управления фазой, схем переключения переменного тока, схем управления двигателями переменного тока и т. д.