Кремниевый управляемый выпрямитель или полупроводниковый управляемый выпрямитель представляет собой четырехслойное твердотельное устройство регулирования тока . Название «кремниевый выпрямитель» является торговым названием General Electric для типа тиристора . 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 согласуются. Результаты экспериментов были представлены доктором Яном М. Макинтошом из Bell Laboratories в январе 1958 года. [2] [3] SCR был разработан командой инженеров-энергетиков под руководством Гордона Холла [4] [5] [6] [7 ] ] и коммерциализирован Фрэнком В. «Биллом» Гацвиллером в 1957 году.
Некоторые источники определяют кремниевые выпрямители и тиристоры как синонимы [8] , в то время как другие источники определяют кремниевые выпрямители как правильное подмножество набора тиристоров; последние представляют собой устройства как минимум с четырьмя слоями чередующихся материалов n- и p-типа . [9] [10] По словам Билла Гацвиллера, термины «SCR» и «управляемый выпрямитель» использовались раньше, а «тиристор» стал применяться позже, поскольку использование устройства распространилось по всему миру. [11]
SCR являются однонаправленными устройствами (т.е. могут проводить ток только в одном направлении) в отличие от TRIAC , которые являются двунаправленными (т.е. носители заряда могут течь через них в любом направлении). SCR обычно могут запускаться только положительным током, поступающим в затвор, в отличие от TRIAC, которые обычно могут запускаться как положительным, так и отрицательным током, приложенным к его электроду затвора.
Существует три режима работы тиристора в зависимости от приданного ему смещения:
В этом режиме работы на анод (+, p-легированная сторона) подается положительное напряжение, а на катод (-, n-легированная сторона) подается отрицательное напряжение, что удерживает затвор при нулевом (0) потенциале, т.е. в отключенном состоянии. В этом случае переходы J1 и J3 имеют прямое смещение, а J2 — обратное , что допускает лишь небольшой ток утечки от анода к катоду. Когда приложенное напряжение достигает значения пробоя для J2 , J2 подвергается лавинному пробою. При этом напряжении отключения J2 начинает проводить ток, но ниже напряжения отключения J2 оказывает очень высокое сопротивление току, и говорят, что тиристор находится в выключенном состоянии.
SCR можно перевести из режима блокировки в режим проводимости двумя способами: либо путем увеличения напряжения между анодом и катодом, превышающего напряжение пробоя, либо путем подачи положительного импульса на затвор. Как только SCR начинает проводить ток, для поддержания его во включенном состоянии больше не требуется напряжение затвора. Минимальный ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии при снятии напряжения на затворе, называется током фиксации.
Есть два способа отключить его :
Когда на анод подается отрицательное напряжение, а на катод – положительное, тиристор находится в режиме обратной блокировки, в результате чего J1 и J3 смещаются в обратном направлении, а J2 – в прямом. Устройство ведет себя как два последовательно соединенных диода. Протекает небольшой ток утечки. Это режим обратной блокировки. Если обратное напряжение увеличить, то при критическом уровне пробоя, называемом напряжением обратного пробоя (VBR ) , на J1 и J3 возникает лавина и обратный ток быстро возрастает. Доступны тиристоры с возможностью обратной блокировки, что увеличивает прямое падение напряжения из-за необходимости иметь длинную низколегированную область P1. Обычно номинальное напряжение обратной блокировки и номинальное напряжение прямой блокировки одинаковы. Типичное применение тиристора с обратной блокировкой — в инверторах тока.
SCR, не способный блокировать обратное напряжение, известен как асимметричный SCR , сокращенно ASCR . Обычно его номинал обратного пробоя составляет десятки вольт. ASCR используются там, где параллельно применяется диод обратной проводимости (например, в инверторах источника напряжения) или там, где обратное напряжение никогда не возникает (например, в импульсных источниках питания или тяговых прерывателях постоянного тока).
Асимметричные тиристоры 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 открытой цепи затвора. Это известно как лавинный пробой, при котором развязка J2 выйдет из строя. При достаточном напряжении тиристор переходит в открытое состояние с малым падением напряжения и большим прямым током. В этом случае J1 и J3 уже смещены в прямом направлении .
Чтобы произошло срабатывание затвора, тиристор должен находиться в состоянии прямой блокировки, когда приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, в противном случае может произойти срабатывание по прямому напряжению. Затем между затвором и катодом можно подать один небольшой положительный импульс напряжения. Это подает одиночный импульс тока затвора, который переводит тиристор во включенное состояние. На практике это наиболее распространенный метод запуска тиристора.
Срабатывание по температуре происходит, когда ширина области обеднения уменьшается по мере повышения температуры. Когда тиристор находится рядом с VPO, очень небольшое повышение температуры приводит к удалению перехода J2, что приводит к срабатыванию устройства.
Простую схему SCR можно проиллюстрировать с использованием источника переменного напряжения, подключенного к SCR с резистивной нагрузкой. Без приложенного импульса тока к затвору тиристора тиристор остается в состоянии прямой блокировки. Это делает начало проведения тиристора управляемым. Угол задержки α, который представляет собой момент подачи импульса тока затвора по отношению к моменту естественной проводимости (ωt = 0), контролирует начало проводимости. Когда тиристор проводит ток, он не выключается до тех пор, пока ток через тиристор не станет отрицательным. i s остается нулевым до тех пор, пока не будет применен еще один импульс тока затвора и SCR снова не начнет проводить ток. [12]
SCR в основном используются в устройствах, где требуется управление большой мощностью, возможно, в сочетании с высоким напряжением. Их работа делает их пригодными для использования в приложениях управления мощностью переменного тока среднего и высокого напряжения, таких как регулировка яркости ламп , регуляторы мощности и управление двигателями.
SCR и подобные устройства используются для выпрямления мощного переменного тока при передаче электроэнергии постоянного тока высокого напряжения . Они также используются при управлении сварочными аппаратами, в основном газовой вольфрамовой дуговой сваркой и аналогичными процессами. Используется в качестве электронного переключателя в различных устройствах. Ранние полупроводниковые автоматы для игры в пинбол использовали их для управления освещением, соленоидами и другими функциями электронным, а не механическим способом, отсюда и название «твердотельный».
Другие области применения включают схемы переключения мощности, управляемые выпрямители, управление скоростью шунтирующих двигателей постоянного тока, тиристорные ломы, компьютерные логические схемы, схемы синхронизации и инверторы.
Кремниевый переключатель (SCS) ведет себя почти так же, как SCR; но есть несколько отличий. В отличие от SCR, SCS выключается, когда положительное напряжение/входной ток подается на другой вывод анодного затвора. В отличие от тиристора, SCS может перейти в режим проводимости, когда к тому же проводу прикладывается отрицательное напряжение/выходной ток.
SCS полезны практически во всех схемах, где требуется переключатель, который включается/выключается с помощью двух отдельных управляющих импульсов. Сюда входят схемы переключения питания, логические схемы, драйверы ламп и счетчики.
Симистор похож на тиристор , поскольку оба действуют как переключатели с электрическим управлением. В отличие от SCR, TRIAC может пропускать ток в любом направлении. Таким образом, симисторы особенно полезны для приложений переменного тока. Симисторы имеют три вывода: вывод затвора и два проводящих вывода, обозначаемые как MT1 и MT2. Если на вывод затвора не подается ток/напряжение, симистор выключается. С другой стороны, если на вывод затвора подается триггерное напряжение, симистор включается.
Симисторы подходят для схем регулирования освещенности, схем управления фазой, схем переключения мощности переменного тока, схем управления двигателями переменного тока и т. д.