Moderne vermogenselektronica begon echt met de komst van thyristors. Thyristors zijn ook bekend als de siliciumgestuurde gelijkrichters of SCR's. Dit zijn vier gelaagde halfgeleiderinrichtingen met drie aansluitingen. En thyristors zijn unidirectionele apparaten.
Siliciumgestuurde gelijkrichters zijn halfgeleiderapparaten die doorgaans worden gebruikt om hoog vermogen in combinatie met hoogspanning te regelen. Daarom vinden deze apparaten toepassingen in hoogspanningswisselstroomregelsystemen, lampdimmercircuits, regelcircuits, enz. SCR wordt ook toegepast bij de rectificatie van hoogvermogen-wisselstroom in hoogspanningsgelijkstroomoverbrenging. De SCR behoort tot de familie van Thyristors en eigenlijk is de naam SCR de handelsnaam van de Thyristor van General Electrics.
De SCR is een apparaat met vier lagen met afwisselend N- en P-type materialen. De SCR bestaat uit een vierlaagse halfgeleider die een PNPN- of NPNP-structuur vormt. Silicium wordt gebruikt als de intrinsieke halfgeleider, waaraan de juiste doteermiddelen worden toegevoegd. Het heeft drie aansluitingen, anode, kathode en poort. De kathode is het zwaarst gedoteerd en de poort en anode zijn minder zwaar gedoteerd. De centrale N-type laag is slechts licht gedoteerd en is ook dikker dan de andere lagen, waardoor deze een hoge blokkeerspanning kan ondersteunen.
De SCR heeft drie knooppunten namelijk J1, J2 en J3. De anode is verbonden met het P-type materiaal van de PNPN-structuur terwijl de kathode is verbonden met het N-type materiaal. De poort is verbonden met het P-type materiaal nabij de kathode.
Dit zijn unidirectionele apparaten en geleiden stroom slechts in één richting. Dat is van anode tot kathode. SCR wordt geactiveerd wanneer de poort een positieve spanning krijgt. SCR wordt over het algemeen gebruikt in schakeltoepassingen zoals relaisstuurprogramma, batterijladers, enz.
De thyristor heeft drie basistoestanden:
Omgekeerd blokkeren: In deze toestand blokkeert de thyristor de stroom op dezelfde manier als die van een tegengestelde diode.
Voorwaarts blokkeren: In deze staat is het thyristor operatie is zodanig dat het voorwaartse stroomgeleiding blokkeert die normaal gesproken zou worden gedragen door een voorwaarts voorgespannen diode.
Voorwaarts dirigeren: In deze toestand is de thyristor in geleiding getriggerd. Het blijft geleidend totdat de voorwaartse stroom daalt tot onder een drempelwaarde die bekend staat als de houdstroom.
Thyristor operatie
SCR-SYMBOOL
De SCR begint met geleiding wanneer deze voorwaarts is voorgespannen. Hiervoor wordt de kathode op een negatieve en de anode op een positieve spanning gehouden. Wanneer de voorwaartse voorspanning wordt aangelegd aan de SCR, worden de overgang J1 en J3 voorwaarts voorgespannen terwijl de overgang J2 in tegengestelde richting wordt voorgespannen. Wanneer een positieve spanning op de poort wordt aangelegd, wordt knooppunt J2 voorwaarts voorgespannen en wordt de SCR ingeschakeld.
In bedrijf kan de thyristor worden beschouwd als NPN- en PNP-transistor die rug aan rug zijn verbonden, waardoor een positieve terugkoppelingslus in het apparaat wordt gevormd. De transistor met zijn emitter verbonden met de kathode van de thyristor is een NPN-apparaat, terwijl de transistor met zijn emitter verbonden met de anode van de thyristor is een PNP-apparaat De poort is verbonden met de basis van de NPN-transistor. De uitgang van de ene transistor wordt naar de ingang van de tweede transistor gevoerd en de uitgang van de tweede transistor wordt op zijn beurt weer teruggevoerd naar de ingang van de eerste. Dit betekent dat wanneer een stroom begint te lopen, deze snel wordt opgebouwd totdat beide transistors volledig zijn ingeschakeld of verzadigd. Laten we een klein voorbeeld bekijken:
Van het onderstaande circuit hebben we hier een TYN616-thyristor gebruikt.
- Bij geopende poort worden drie doorschakelspanningen bepaald op de minimale doorlaatspanning waarbij de thyristor zwaar geleidt. Nu verschijnt de meeste voedingsspanning over de belastingsweerstand. De houdstroom is de maximale anodestroompoort die open is wanneer een onderbreking optreedt.
- Wanneer de poort in de UIT-stand staat, biedt de thyristor een oneindige weerstand dan in de AAN-stand, deze biedt een zeer lage weerstand, die in het bereik van 0,010 tot 10 ligt.
Wijze van triggeren
In de normale uit-toestand verhindert SCR dat er stroom doorheen gaat, maar wanneer de spanning van de poort naar de kathode toeneemt en een bepaald niveau overschrijdt, wordt SCR ingeschakeld en geleidt als een transistor. Een belangrijke bijzonderheid van SCR is dat het, als het eenmaal is geleid, vergrendeld blijft en blijft geleiden, zelfs nadat de poortspanning is verwijderd. De SCR blijft ingeschakeld totdat de houdstroom van de apparaten tot een lage waarde daalt. Maar als de poort een pulserende spanning krijgt en de stroom erdoorheen is onder de vergrendelstroom, blijft de SCR in de uit-toestand. SCR kan worden geactiveerd zonder een positieve spanning aan de poort. De SCR is meestal verbonden met de anode met de positieve rail en de kathode met de negatieve rail. Als de aangelegde spanning op de anode toeneemt, induceert de capacitieve koppeling in het apparaat lading in de poort en wordt SCR geactiveerd. Dit type triggering zonder de externe poortstroom staat bekend als 'DV / dt-triggering'. Dit gebeurt meestal bij het inschakelen. Dit wordt het Rate-effect genoemd.
Maar de DV / dt-triggering zal de SCR niet volledig inschakelen en de gedeeltelijk geactiveerde SCR zal veel stroom verdrijven en het apparaat kan beschadigd raken. Om DV / dt-triggering te voorkomen, wordt een snubber-netwerk gebruikt. Een andere manier van triggeren is door de voorwaartse spanning van de SCR te verhogen tot boven de nominale doorslagspanning. Voorwaartse spanningstriggering vindt plaats wanneer de spanning over de SCR toeneemt met de poort geopend. Dit wordt ‘Lawinedoorslag’ genoemd, waarbij knooppunt 2 van het apparaat defect raakt. Hierdoor wordt de SCR ook gedeeltelijk ingeschakeld en wordt het apparaat beschadigd. De spanning mag dus de nominale spanning van de SCR niet overschrijden.
Hoe schakel ik de SCR uit?
Zodra de SCR is ingeschakeld, bevindt deze zich in de geleidende modus, zelfs nadat de poortstroom is verwijderd. Dit is SCR-vergrendeling. De SCR kan worden uitgeschakeld door middel van reverse triggering. Het kan worden gedaan door een negatieve spanning op de poort aan te leggen. Het apparaat kan ook worden uitgeschakeld door de anodestroom te verwijderen of door de poort en kathode tijdelijk kort te sluiten.
Toepassingen van Thyristor:
Thyristoren worden voornamelijk gebruikt in apparaten waar de regeling van hoog vermogen, eventueel gekoppeld aan hoogspanning, gevraagd wordt. Door hun werking zijn ze geschikt voor gebruik in AC-stroomregelingstoepassingen met middelhoge tot hoge spanning, bijvoorbeeld het dimmen van lampen, controllers en motorbesturing
Eén toepassing van SCR-relaisbesturing met SCR:
Als de schakelaar S1 even wordt ingedrukt, wordt Relay ingeschakeld. Het kan worden uitgeschakeld door op S2 te drukken.
Als de schakelaar S1 wordt vervangen door een LDR en R1 met een 4.7K preset, gaat het relais aan als er licht op LDR valt. Preset pas het triggeringpunt aan.
Als de schakelaar S1 wordt vervangen door een 4.7 K NTC (Negative Temperature Coefficient) Thermister en R1 met een 1K preset, wordt het relais ingeschakeld wanneer de temperatuur stijgt. Preset pas het triggeringpunt aan.
Foto tegoed:
- SCR-SYMBOL door wikimedia
