Comprendre le redresseur contrôlé par le silicium (SCR)
Le redresseur contrôlé par le silicium (SCR) est un élément clé de l'électronique de puissance, évoluant à partir de la diode Shockley plus simple.La diode Shockley a agi comme un commutateur de base mais n'a pas pu être contrôlé à l'extérieur.L'ajout d'une borne de porte pour créer le SCR a permis un contrôle précis sur sa conduction, en le transformant en un composant actif pour gérer la puissance dans divers circuits.Cet article couvre la structure et le fonctionnement du SCR, y compris sa configuration interne et son mécanisme de rétroaction positive pour une commutation efficace.Il explique différentes méthodes de déclenchement et la nécessité d'une activation contrôlée pour des performances fiables.L'article discute également de la fonctionnalité du SCR, des utilisations dans le contrôle de la puissance AC, des techniques de déclenchement avancées, des types de SCR et de nouvelles tendances de la technologie SCR.L'objectif est de donner une compréhension claire des SCR, de la façon dont ils fonctionnent et de leur rôle dans l'électronique moderne.Catalogue
Diode Shockley à SCR
Figure 1: Diode Shockley
La diode Shockley, une première version du périphérique PNPN, fonctionne comme un commutateur de base qui s'allume lorsqu'il atteint une certaine tension.Cependant, il a une utilisation limitée car il manque de contrôle sur sa commutation.L'introduction du SCR améliore la diode Shockley en ajoutant une borne de porte.Cet ajout permet un contrôle externe de l'état de conduction de l'appareil, en le passant d'un simple commutateur en un composant actif qui peut gérer des niveaux de puissance plus élevés avec une plus grande précision.Ce changement augmente considérablement l'utilité de l'appareil, ce qui le rend adapté à beaucoup plus de circuits électroniques.
La structure du redresseur contrôlé par le silicium
Figure 2: interrupteur contrôlé au silicium
L'évolution d'une diode Shockley à un SCR consiste à ajouter une borne de porte à la structure PNPN existante.Cette borne de porte permet au SCR d'être contrôlé par un signal externe, offrant un moyen d'activer et d'éteindre l'appareil selon les besoins.Ce changement fait du SCR un composant actif, élargissant considérablement son utilisation dans divers circuits électroniques.La capacité de contrôler l'action de commutation avec un signal externe crée de nouvelles possibilités de gestion précise de l'alimentation, ce qui est très utile pour les applications électroniques modernes.
Structure et fonctionnement d'un SCR
Figure 3: Structure et fonctionnement d'un SCR
Un SCR est composé de quatre couches de semi-conducteurs qui forment trois jonctions PN, avec une anode, une cathode et une borne de porte.Lorsque la porte n'est pas connectée, le SCR agit comme une diode Shockley, s'allumant lorsque la tension de rupture est atteinte.Cependant, l'application d'une petite tension à la porte permet à la SCR d'être déclenchée exprès.
Chemin de conduction SCR
Lorsqu'un petit courant est appliqué à la porte, le transistor inférieur dans le SCR s'allume.Cette action s'active ensuite sur le transistor supérieur, créant une boucle qui maintient le SCR à l'état "ON", permettant au courant de s'écouler de l'anode vers la cathode.Après cela, le courant de porte n'est plus nécessaire pour maintenir le SCR allumé.Le SCR a deux transistors travaillant ensemble pour le garder une fois qu'il commence.Cette conception aide le SCR à basculer rapidement de Off to ON.
Figure 4: chemin de conduction SCR
Pour comprendre comment un SCR fonctionne, regardez sa configuration interne.Lorsqu'une impulsion est envoyée à la porte, elle active le transistor inférieur, laissant le courant passer par le transistor supérieur et gardant celui inférieur.Cette boucle garantit que le SCR reste allumé jusqu'à ce que le courant tombe en dessous d'un certain niveau, appelé le courant de maintien.Cela rend les SCR utiles pour la commutation et la gestion de puissance de manière fiable.
Méthodes de déclenchement et de tir
Le déclenchement, également appelé tir, signifie l'application d'une impulsion de tension à la borne de la porte du SCR.Cette méthode garantit que le SCR s'allume uniquement en cas de besoin, peu importe si la tension va au-dessus du point de rupture.Le déclenchement inversé, qui éteint le SCR en appliquant une tension négative à la porte, peut également être effectué mais est moins efficace car il nécessite beaucoup de courant.
Symbole de thyristor (GTO) de la porte (GTO)
Figure 5: Symbole GTO
Le déclenchement d'un SCR est la clé de son fonctionnement.Le courant de porte nécessaire pour déclencher un SCR est bien inférieur au courant qui coule dans l'appareil, fournissant une certaine amplification.Une fois déclenché, le SCR reste à l'état conducteur jusqu'à ce que le courant soit tombé en dessous d'un certain niveau, appelé courant de maintien.Cette caractéristique est très utile dans les applications où une commutation contrôlée est nécessaire, garantissant que le SCR reste allumé jusqu'à ce que le courant de charge baisse suffisamment pour le désactiver.Cette activation et cette désactivation contrôlées rendent les SCR très adaptés aux applications qui nécessitent une gestion précise de l'alimentation.
Tester la fonctionnalité SCR
Pour tester si un SCR fonctionne, vous pouvez commencer par une vérification de base à l'aide d'un ohmmètre pour mesurer la jonction de porte-à-cathode.Cependant, ce test simple ne suffit pas.Vous devez également voir comment le SCR fonctionne sous charge.Pour un test approfondi, configurez un circuit avec une source d'alimentation CC et des commutateurs de bouton-poussoir pour observer comment le SCR s'allume et désactivé lorsqu'il est connecté à une charge.
Figure 6: circuit de test SCR
Pour s'assurer que les SCR fonctionnent correctement, plusieurs étapes sont impliquées dans leurs tests.Un circuit de test simple peut être construit à l'aide d'une alimentation CC, d'une résistance de charge et de commutateurs de bouton-poussoir pour simuler les processus de déclenchement et de maintien.En regardant le comportement du SCR dans cette configuration, on peut confirmer sa capacité à s'accrocher et à désactiver comme prévu.Ce processus de test aide à diagnostiquer les problèmes potentiels et assure la fiabilité des SCR dans les applications du monde réel.Des tests complets dans des conditions de charge réelles aident à trouver toute faiblesse ou défaut dans le SCR, garantissant des performances fiables dans des applications exigeantes.
Contrôle SCR de la puissance AC
Les SCR sont souvent utilisés lorsque de grandes quantités de puissance doivent être commutées, mais les circuits de commande ne gèrent que le petit courant et la tension pour la simplicité et la fiabilité.Cela rend les SCR parfaits pour les situations nécessitant des mécanismes de contrôle solides mais sensibles.Par exemple, la puissance de tir de la porte d'un SCR peut être aussi faible que 50 microwatts (1 V, 50 µA), garantissant que les contacts d'actionnement ne gèrent que ce petit signal.Une fois déclenché, le SCR peut gérer et interrompre les charges de sortie directement, fournissant jusqu'à 100 watts ou plus.Cela permet un contrôle efficace des systèmes de haute puissance avec une contrainte minimale sur les circuits de contrôle.
Figure 7: SCR en contrôle de puissance AC
En ce qui concerne leur fonctionnement, le comportement inverse du SCR est comme une diode de redresseur de silicium typique, agissant comme un circuit ouvert lorsqu'une tension négative est appliquée entre l'anode et la cathode.Dans le sens avant, le SCR bloque le courant de courant jusqu'à ce que la tension dépasse un point de rupture spécifique, sauf si un signal de porte est appliqué.Lorsque la tension de rupture vers l'avant est dépassée ou qu'un signal de porte approprié est introduit, le SCR passe rapidement à un état conducteur, avec une baisse de tension vers l'avant similaire à celle d'un redresseur à jonction unique.Cette capacité de commutation rapide garantit que le SCR peut gérer de manière fiable les charges de haute puissance tout en maintenant une faible puissance pour les opérations de contrôle.
Figure 8: commutateur de la série
La figure ci-dessus montre un (s) commutateur (s) de série simple qui envoie un signal CA à la porte du SCR.La résistance R1 limite le courant de la porte pour le garder en sécurité, tandis que la diode D empêche la tension inverse d'affecter la porte pendant le cycle non conducteur.La charge (RL) connectée à l'anode peut être n'importe quelle valeur dans les limites du SCR.Cette configuration garantit que le SCR fonctionne de manière fiable, avec un déclenchement contrôlé et une protection contre la contrainte électrique.
Figure 9: Formes d'onde de commutation AC
Lorsque le commutateur est ouvert, le SCR reste éteint même si l'alimentation AC est présente.La fermeture des commutateurs S permet à la partie positive du cycle AC de déclencher le SCR, ce qui le fait conduire parce que l'anode est positive.Le SCR s'allume pendant moins de la moitié du cycle et reste éloigné pendant la partie négative du cycle.Contrôles S de fermeture lorsque le SCR s'allume, permettant au courant de circuler dans la charge.Pour arrêter le courant, vous pouvez ouvrir les commutateurs ou attendre le cycle négatif, qui éteint le SCR.Cette configuration permet un contrôle facile de l'écoulement de courant dans le circuit.
Figure 10: interrupteur de shunt
Pour contrôler un SCR, vous pouvez utiliser DC sur la porte.L'application de DC à la porte allume le SCR.Une autre façon consiste à utiliser un (s) commutateur entre la porte et la cathode.L'ouverture de l'interrupteur allume le SCR, permettant au courant de passer à travers la charge.Pour éteindre le SCR et arrêter le courant, fermez l'interrupteur ou appliquez une tension négative à l'anode.Cette méthode aide à contrôler les dispositifs comme les vitesses du moteur et les niveaux de puissance.
Figure 11: Courant de chargement avec interrupteur fermé
Deux autres méthodes simples pour la puissance de commutation aux charges sont illustrées.Dans le premier circuit, la fermeture du contact d'actionnement alimente la charge, tout en ouvrant le contact coupe la puissance.À l'inverse, le deuxième circuit fonctionne à l'envers: l'alimentation est fournie à la charge uniquement lorsque le contact est ouvert.Les deux circuits peuvent être configurés pour «verrouillage» à l'aide d'une alimentation CC au lieu de la CA indiquée.
Dans le premier circuit, un diviseur de tension composé de résistances R2 et R3 fournit le signal de porte AC au SCR.Cela permet au SCR de tirer et d'alimenter la puissance lorsque le contact est fermé.Dans le deuxième circuit, la fermeture de l'interrupteur fait que la porte et la cathode ont le même potentiel, empêchant le SCR de tirer et ainsi couper la puissance à la charge.Cette configuration simple assure un contrôle clair et prévisible de la puissance à la charge dans l'une ou l'autre configuration.
Figure 12: Courant de chargement avec interrupteur ouvert
L'alimentation CA peut être contrôlée à l'aide du circuit illustré ci-dessous.Dans cette configuration, deux SCR sont connectés à dos pour gérer les deux demi-cycles de la tension AC.Cette configuration garantit que chaque SCR gère un demi-cycle de la forme d'onde AC, permettant un contrôle efficace et précis de la puissance délivrée à la charge.
Figure 13: commutateur AC avec deux SCR
Le courant de commande s'écoule vers les portes à travers la résistance R3 lorsqu'un commutateur externe (mécanique ou électronique) relie les bornes de commande.Cet interrupteur peut être contrôlé par divers capteurs comme la lumière, la chaleur ou la pression, qui activent un amplificateur électronique.Lorsque l'interrupteur se ferme, les SCR sont déclenchés à chaque cycle AC, permettant à la puissance de s'écouler vers la charge.Lorsque l'interrupteur s'ouvre, les SCR ne tirent pas et aucune alimentation n'est délivrée à la charge.Ce mécanisme gère efficacement l'alimentation CA fournie à la charge.
Applications et types de SCR
Les SCR sont utilisés dans de nombreux champs car ils ont des caractéristiques de contrôle solides.Il s'agit notamment des systèmes de conversion de puissance, de contrôle du moteur et d'éclairage.Différents types de SCR ont été développés pour répondre aux besoins spécifiques:
SCR standard: Utilisé à des fins générales.
SCR de commutation rapide: Conçu pour les applications à haute fréquence.
SCR déclenché par la lumière (LTS): Utilise la lumière pour le déclenchement, fournissant une isolation électrique.
GATE ORD-OFF SCR (GTO): Permet à la fois le contrôle d'activation et de désactivation.
Blocking inversé SCR: Peut bloquer le courant dans les deux sens.
Contrôle SCR du pont triphasé sur la charge
Chaque type de SCR est conçu pour des besoins spécifiques.Les SCR standard sont flexibles et utilisés dans de nombreuses applications, tandis que les SCR à commutation rapide sont parfaits pour les opérations à grande vitesse.Les SCR (LTS) déclenchés par la lumière utilisent la lumière pour déclencher la porte, offrant une excellente isolation électrique.Les SCR de l'arrêt de la porte (GTO) peuvent à la fois s'activer et désactiver, ce qui les rend adaptés aux applications de haute puissance.Les SCR de blocage inversé sont conçus pour bloquer le flux de courant dans les deux directions, améliorant leur utilisation dans les scénarios de contrôle de la puissance AC.
Figure 14: Contrôle SCR du pont triphasé de la charge
Applications pratiques et utilisations avancées des SCR
Les SCR sont largement utilisés dans de nombreuses applications en raison de leurs fortes caractéristiques de contrôle.Certaines applications notables comprennent:
Systèmes de conversion de puissance: les SCR sont des composants clés dans les systèmes de conversion de puissance, gérant le passage de la CA à la puissance DC et vice versa.Ces systèmes sont utilisés dans les paramètres industriels et l'électronique grand public, où une alimentation stable et fiable est nécessaire.
Contrôle du moteur: Dans les applications de contrôle du moteur, les SCR réglaient la vitesse et le couple des moteurs électriques.En modifiant l'angle de tir, les SCR contrôlent la puissance fournie au moteur, permettant un contrôle précis sur son fonctionnement.
Systèmes d'éclairage: les SCR sont utilisés pour diminuer en douceur les lumières en contrôlant l'angle de phase de l'alimentation AC.Cette capacité fournit des économies d'énergie et améliore l'ambiance dans les applications d'éclairage.
Contrôles de chauffage: Dans les applications de chauffage, les SCR régulent la puissance délivrée aux éléments de chauffage, en maintenant la température souhaitée avec une grande précision.Ceci est particulièrement utile dans les processus industriels nécessitant un contrôle de température précis.
Circuits de protection: les SCR agissent comme des pouces de pied dans les circuits de protection, court-circuiter l'alimentation en cas de condition de surtension pour protéger les composants électroniques sensibles contre les dommages.
Le large éventail d'applications montre la flexibilité et l'utilité des SCR dans l'électronique moderne, où un contrôle précis et des performances fiables sont nécessaires.
Analyse détaillée des caractéristiques SCR
Comprendre les caractéristiques spécifiques des SCR est la clé pour leur utilisation efficace.Les caractéristiques clés comprennent:
Tension de déclenchement de la porte (VGT)
La tension de grille minimale nécessaire pour allumer le SCR.
Tenir le courant (jeH)
Le courant minimum requis pour maintenir le SCR conducteur.
Courant de verrouillage (iL)
Le courant minimum nécessaire pour maintenir le SCR à l'état "ON" après la suppression de la déclencheur de la porte.
Tension de rupture (VBêle)
La tension à laquelle le SCR s'allumera sans aucun courant de porte.
Tension de blocage vers l'avant (VDRM)
La tension maximale que le SCR peut bloquer dans le sens avant sans mener.
Tension de blocage inversé (VRRM)
La tension maximale que le SCR peut bloquer dans le sens inverse.
Tente de tension sur l'État (VTM)
La tension tombe sur le SCR lors de la conduite.
Note DV / DT
Le taux maximal de montée de la tension hors État que le SCR peut résister sans s'allumer.
note di / dt
Le taux de montée maximal du courant sur l'État que le SCR peut gérer sans dommage.
Protection SCR et circuits de snobber
Pour améliorer la fiabilité des SCR dans les applications pratiques, les circuits de protection sont souvent utilisés.Une méthode courante est l'utilisation de circuits de snobber.Les circuits de snubber protégeaient les SCR à partir des contraintes élevées DV / DT et DI / DT, ce qui peut provoquer une défaillance précoce.
Figure 15: Protection SCR
Pour protéger le SCR des pointes de tension soudaine, chaque SCR dans un circuit de convertisseur a un réseau de snibber R-C parallèle.Ce réseau de snubber protége le SCR contre les pointes de tension internes qui se produisent pendant le processus de récupération inverse.Lorsque le SCR est désactivé, le courant de récupération inverse est redirigé vers le circuit de snobber, qui contient des éléments de stockage d'énergie.
Des surtensions de foudre et de commutation du côté d'entrée peuvent endommager le convertisseur ou le transformateur.Pour réduire l'impact de ces tensions, des dispositifs de serrage de tension sont utilisés à travers le SCR.Les dispositifs de serrage de tension commun comprennent les varistations d'oxyde métallique, les diodes de thyrecteur de sélénium et les suppresseurs de diodes d'avalanche.
Ces dispositifs ont une résistance décroissante à mesure que la tension augmente, fournissant un chemin à faible résistance à travers le SCR lorsque la tension de surtension se produit.La figure ci-dessous montre comment un SCR est protégé des tensions sur des tensions à l'aide d'une diode thylectorielle et d'un réseau de snibber.
Techniques de déclenchement avancées pour SCR
Figure 16: Technique de déclenchement
Au-delà du déclenchement simple de la porte, les méthodes avancées peuvent encore améliorer les performances du SCR dans les configurations complexes.Ces méthodes comprennent:
• déclenchement d'impulsion
L'utilisation d'impulsions courtes et à courant élevé pour activer le SCR garantit qu'elle s'active de manière fiable même dans des environnements bruyants.
• Déclenchement contrôlé par la phase
L'alignement du déclenchement SCR avec l'alimentation AC permet un contrôle précis sur la puissance envoyée à la charge.
• déclenchement optiquement isolé
L'utilisation d'isolateurs optiques pour déclencher le SCR fournit une isolation électrique et protège les circuits de contrôle des hautes tensions.
• Déblage basé sur le microcontrôleur
L'utilisation de microcontrôleurs pour générer des impulsions de déclenchement précises permet des schémas de contrôle sophistiqués et de meilleures performances dans des configurations complexes.
Déclenchement SCR basé sur les microcontrôleurs
Figure 17: déclenchement SCR basé sur le microcontrôleur
Ces techniques de déclenchement avancées offrent plus de flexibilité et de contrôle dans les applications SCR, ce qui les rend adaptées à une large gamme d'électronique industrielle et grand public.En utilisant ces méthodes, les ingénieurs peuvent obtenir un contrôle plus précis et fiable sur les systèmes de gestion de l'alimentation, améliorant l'efficacité globale et les performances des solutions basées sur SCR.
SCRS dans l'électronique de puissance moderne
Les SCR sont des pièces clés pour créer des systèmes de contrôle de puissance efficaces et fiables.Ils font une grande différence dans plusieurs domaines principaux, notamment:
Systèmes d'énergie renouvelable: les SCR sont utilisés dans les onduleurs et les contrôleurs de puissance pour convertir et gérer l'énergie à partir de sources renouvelables comme l'énergie solaire et le vent.Ils gèrent des niveaux de puissance élevés et fournissent un contrôle précis, ce qui les rend parfaits pour ces applications.
Véhicules électriques: dans les véhicules électriques (véhicules électriques), les SCR sont utilisés dans les contrôleurs de moteur et les systèmes de chargement de la batterie.Ils gèrent le flux de puissance entre la batterie et le moteur, garantissant un fonctionnement efficace et une durée de vie de la batterie plus longue.
Grides intelligentes: Dans les applications de réseau intelligent, les SCR gèrent la distribution de l'énergie électrique.Ils sont utilisés dans les onduleurs liés au réseau, les régulateurs de tension et les contrôleurs d'angle de phase pour assurer une administration de puissance stable et efficace.
Automatisation industrielle: les SCR sont utilisés dans les lecteurs moteurs, les commandes de chauffage et les systèmes de contrôle des processus dans l'automatisation industrielle.Ils gèrent une puissance élevée et fournissent un contrôle précis, ce qui en fait des composants principaux dans les processus de fabrication automatisés.
Alimentation d'alimentation sans interruption (UPS): Les SCR fournissent une sauvegarde d'alimentation fiable pendant les pannes dans les systèmes UPS.Ils aident à basculer en douceur entre l'alimentation principale et la source d'alimentation de sauvegarde, garantissant une puissance continue aux systèmes clés.
Tendances et innovations futures dans la technologie SCR
Le développement de la technologie SCR continue de s'améliorer pour répondre au besoin d'un contrôle de puissance meilleur et plus fiable.De nouveaux matériaux semi-conducteurs comme le carbure de silicium (sic) et le nitrure de gallium (GAN) font mieux fonctionner les SCR en manipulant des tensions plus élevées, en réduisant la résistance et en améliorant la gestion de la chaleur.Les thyristors communes intégrés (IGCT) combinent les avantages des GTO et des IGBT, offrant une commutation rapide, une faible perte d'énergie et la capacité de gérer une puissance élevée pour les applications exigeantes.Les méthodes de contrôle numérique avec SCR permettent un contrôle précis et flexible, ce qui rend les systèmes plus efficaces et fiables.Les progrès des techniques de fabrication rendent les SCR plus petits et adaptés aux appareils portables, ce qui est utile pour l'électronique grand public.Des fonctionnalités de protection améliorées dans les SCR, comme les circuits de snobber intégrés et la protection de surintensité, les rendent également plus fiables et plus faciles à utiliser.
Conclusion
Le courant de commande s'écoule vers les portes à travers la résistance R3 lorsqu'un commutateur externe (mécanique ou électronique) relie les bornes de commande.Cet interrupteur peut être contrôlé par des capteurs tels que la lumière, la chaleur ou la pression, qui activent un amplificateur électronique.Lorsque le commutateur se ferme, le SCRS déclenche avec chaque cycle AC, permettant la charge de la charge.Lorsque l'interrupteur s'ouvre, les SCR ne tirent pas, arrêtant le flux de puissance.Ce mécanisme contrôle la puissance AC à la charge.
Les améliorations des matériaux semi-conducteurs comme le carbure de silicium (SIC) et le nitrure de gallium (GAN) rendront les SCR plus efficaces et durables.Des innovations telles que les thyristors (IGCT) et les techniques de contrôle numérique de la porte intégrés amélioreront les performances SCR avec une commutation plus rapide, des pertes d'énergie plus faibles et une meilleure fiabilité.Les SCR continueront de jouer un rôle clé dans les nouvelles technologies, des réseaux intelligents aux véhicules électriques, garantissant un contrôle de puissance efficace et fiable.
Questions fréquemment posées [FAQ]
1. Quels sont les avantages du redresseur contrôlé en silicium?
Le redresseur contrôlé par le silicium (SCR) offre plusieurs avantages, notamment un contrôle efficace de la puissance, une forte fiabilité, la capacité de gérer des tensions et des courants élevés et un contrôle précis sur le flux de puissance.Les SCR fournissent également des vitesses de commutation rapides et sont durables dans des environnements difficiles, ce qui les rend adaptés à diverses utilisations industrielles.
2. Quel est le but de la diode du redresseur de silicium?
Une diode de redresseur de silicium est utilisée pour convertir le courant alternatif (AC) en courant direct (DC).Il permet au courant de s'écouler dans une seule direction, fournissant une rectification, qui est nécessaire dans les alimentations et autres circuits électroniques.
3. Pourquoi avons-nous besoin d'un redresseur contrôlé?
Les redresseurs contrôlés sont utilisés pour gérer et contrôler précisément le flux de puissance dans les appareils électroniques.Ils permettent de régler la tension et le courant de sortie, qui sont nécessaires dans des applications telles que le contrôle de la vitesse du moteur, les alimentations et les lumières à rage.Les redresseurs contrôlés améliorent l'efficacité et assurent la stabilité de la livraison de puissance.
5. Quelle est la conclusion de SCR?
Le SCR est un composant polyvalent et fiable dans l'électronique de puissance.Il fournit un contrôle précis sur les applications de haute puissance et de tension, ce qui la rend précieuse dans diverses industries.Les SCR continuent de s'améliorer avec les progrès des matériaux et de la technologie, garantissant leur pertinence dans les applications futures.
6. Quelles sont les applications de la diode de redresseur contrôlée en silicium?
Les applications des diodes de redresseur contrôlé par le silicium comprennent le contrôle de la vitesse du moteur, la gradation légère, la régulation de l'énergie dans les systèmes d'alimentation AC et CC, la protection contre la surtension et les onduleurs.Ils sont également utilisés dans l'automatisation industrielle, les alimentations et les systèmes d'énergie renouvelable comme les convertisseurs solaires et éoliens.