サイリスタ(SCR)のしくみ–チュートリアル

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基本的に、サイリスタという名前でも知られているSCR(シリコン制御整流器)は、トランジスタのように機能します。

SCRの略

このデバイスは、その名前の先頭にある「シリコン」という単語を指す多層半導体の内部構造から、その名前(SCR)を取得します。



「制御」という名前の2番目の部分は、デバイスのゲート端子を指します。これは、デバイスのアクティブ化を制御するために外部信号で切り替えられるため、「制御」という言葉が使用されます。

また、「整流器」という用語は、ゲートがトリガーされ、電力がアノードからカソード端子に流れることができる場合のSCRの整流特性を意味します。これは、整流ダイオードを使用した整流に似ている場合があります。



上記の説明は、デバイスが「シリコン制御整流器」のようにどのように機能するかを明確にしています。

SCRはダイオードのように整流し、外部信号によるトリガー機能によりトランジスタを模倣しますが、SCRの内部構成は、ダイオードとは異なり、3つの直列PN接合で構成される4層半導体配置(PNPN)で構成されます。 2層(PN)または3層(PNP / NPN)半導体構成を含むトランジスタを備えています。

説明されている半導体接合の内部レイアウトと、サイリスタ(SCR)の動作を理解するには、次の画像を参照してください。

ダイオードと明確に一致するもう1つのSCR特性は、電流が一方向にのみ流れ、スイッチがオンになっている間は反対側からブロックする一方向特性です。SCRには、動作を可能にする別の特殊な性質があると言われていますスイッチオフモード中はオープンスイッチとして。

SCRのこの2つの極端なスイッチングモードは、これらのデバイスが信号を増幅するのを制限します。これらは、脈動信号を増幅するためのトランジスタのように使用することはできません。

トライアック、ダイアック、またはUJTのようなシリコン制御整流器またはSCRはすべて、特定のAC電位または電流を調整しながら、ソリッドステートACスイッチを迅速に切り替えるように機能する特性を備えています。

したがって、エンジニアや愛好家にとって、これらのデバイスは、ランプ、モーター、調光スイッチなどのACスイッチングデバイスを最大効率で調整する場合に、優れたソリッドステートスイッチオプションになります。

SCRは、アノード、カソード、ゲートとして割り当てられた3端子半導体デバイスであり、これらは内部で3つのP-N接合で構成されており、非常に高速にスイッチングする特性を備えています。

したがって、デバイスは、特定の平均スイッチオンまたはスイッチオフ時間を負荷に実装するために、任意の速度で切り替えられ、オン/オフ期間を個別に設定できます。

技術的には、SCRまたはサイリスタのレイアウトは、次の図に示すように、補完的な回生スイッチのペアのように形成されるように、連続して接続された2つのトランジスタ(BJT)と比較することで理解できます。 :

サイリスタ2トランジスタのアナロジー

2トランジスタの等価回路は、NPNトランジスタTR2のコレクタ電流がPNPトランジスタTR1のベースに直接供給され、TR1のコレクタ電流がTR2のベースに供給されることを示しています。

これらの2つの相互接続されたトランジスタは、各トランジスタが他のコレクタ-エミッタ電流からベース-エミッタ電流を取得するため、相互に導通を依存します。したがって、トランジスタの1つにベース電流が流れるまで、アノードからカソードへの電圧が存在していても何も起こりません。

2つのトランジスタを統合してSCRトポロジをシミュレートすると、NPNトランジスタのコレクタ電流がPNPトランジスタTR1のベースに直接供給され、TR1のコレクタ電流が電源と電源を接続するように形成されていることがわかります。 TR2のベース。

シミュレートされた2つのトランジスタ構成は、他方のコレクタエミッタ電流からベースドライブを受け取ることによって相互に連動して補完しているように見えます。これにより、ゲート電圧が非常に重要になり、ゲート電位が印加されるまで示されている構成が導通しないことが保証されます。アノードからカソードへの電位が存在する場合でも、持続する可能性があります。

デバイスのアノードリードがカソードよりも負である状況では、N-P接合を順方向にバイアスしたままにしますが、標準の整流ダイオードのように機能するように、外側のP-N接合を逆方向にバイアスします。

SCRのこの特性により、前述のリード線にビークダウン仕様を超える可能性のある非常に大きな電圧が印加されるまで、逆電流の流れをブロックできます。これにより、ゲートドライブがない場合でもSCRが導通します。 。

上記は、逆高電圧スパイクおよび/または高温、または急速に増加するdv / dt電圧過渡によって、デバイスが望ましくないトリガーを引き起こす可能性があるサイリスタの重要な特性を示しています。

ここで、アノード端子がカソードリードに関してより正になっている状況で、中央のN-P接合は引き続き逆バイアスされたままですが、これは外側のP-N接合が順方向にバイアスされるのに役立ちます。その結果、順方向電流も確実にブロックされます。

したがって、NPNトランジスタTR2のベースに正の信号が誘導された場合、コレクタ電流はベースf TR1に向かって流れ、トランではコレクタ電流がPNPトランジスタTR1に向かって流れ、TR2のベースドライブとプロセスが強化されます。

上記の条件により、2つのトランジスタは、状況をインターロックおよびラッチし続ける再生構成のフィードバックループが示されているため、飽和点まで導通を強化できます。

したがって、SCRがトリガーされるとすぐに、電流がアノードからカソードに流れるようになり、パスに入る周囲の最小の順方向抵抗のみが発生し、デバイスの効率的な導通と動作が保証されます。

ACにさらされると、SCRは、ゲートとカソードの両端にトリガー電圧が供給されるまでACの両方のサイクルをブロックする場合があります。これにより、ACの正の半サイクルがアノードのカソードリードを通過できるようになります。デバイスは標準の整流ダイオードの模倣を開始しますが、ゲートトリガーがオンになっている間だけ、ゲートトリガーが取り外された瞬間に導通が遮断されます。

シリコン制御整流器の起動のために強制された電圧-電流またはI-V特性曲線は、次の画像で見ることができます。

サイリスタI-V特性曲線

ただし、DC入力の場合、サイリスタがONにトリガーされるとすぐに、説明された回生導通により、ゲートトリガーが取り外されても、アノードからカソードへの導通が維持され、導通し続けるようにラッチ動作が実行されます。

したがって、DC電力の場合、最初のトリガーパルスがデバイスのゲートに印加されると、ゲートはその影響を完全に失い、アノードからカソードへのラッチ電流が保証されます。ゲートが完全に非アクティブなときにアノード/カソード電流源を瞬間的に遮断することにより、破損する可能性があります。

SCRはBJTのようには機能しません

SCRは、対応するトランジスタのように完全にアナログになるようには設計されていないため、完全な導通と競合スイッチのオフの間のどこかにある可能性のある負荷に対して、中間のアクティブ領域で導通させることはできません。

これは、ゲートトリガーがアノードからカソードへの導通または飽和の量に影響を与えないためにも当てはまります。したがって、わずかな瞬間的なゲートパルスでも、アノードからカソードへの導通を完全なスイッチオンにスイングするのに十分です。

上記の機能により、SCRを比較して、完全オンまたは完全オフの2つの安定状態を持つ双安定ラッチのように見なすことができます。これは、上記のセクションで説明したように、ACまたはDC入力に応答するSCRの2つの特別な特性が原因で発生します。

SCRのゲートを使用してスイッチングを制御する方法

前に説明したように、SCRがDC入力でトリガーされ、そのアノードカソードがセルフラッチされると、アノード供給源(アノード電流Ia)を一時的に完全に削除するか、またはこれをいくつかに減らすことによって、ロックを解除またはオフにすることができます。デバイスの指定された保持電流または「最小保持電流」Ihを大幅に下回るレベル。

これは、サイリスタの内部P-Nラッチングボンドがその自然なブロッキング機能を動作に戻すことができるまで、アノードからカソードへの最小保持電流を減らす必要があることを意味します。

したがって、これは、SCRを動作させる、またはゲートトリガーで導通させるには、アノードからカソードへの負荷電流が指定された「最小保持電流」Ihを超えることが不可欠であることも意味します。そうしないと、SCRが負荷導通を実装できない可能性があります。 ILが負荷電流の場合、これはIL> IHである必要があります。

ただし、前のセクションですでに説明したように、SCR Anode.Cathodeピン全体でACが使用されている場合、ゲートドライブが取り外されたときにSCRがラッチ効果を実行できないようにします。

これは、AC信号がゼロ交差ライン内でオンとオフを切り替え、AC波形の正の半サイクルが180度シフトするたびにSCRのアノードからカソードへの電流がオフになるためです。

この現象は「自然転流」と呼ばれ、SCR伝導に重要な機能を課します。 DC電源の場合とは異なり、この機能はSCRでは重要ではなくなります。

ただし、SCRは整流ダイオードのように動作するように設計されているため、ACの正の半サイクルにのみ効果的に応答し、逆バイアスされたままで、ゲート信号が存在する場合でもACの残りの半サイクルにはまったく応答しません。

これは、ゲートトリガーが存在する場合、SCRはそれぞれの正のAC半サイクルの間のみアノードからカソードに伝導し、残りの半サイクルの間はミュートされたままであることを意味します。

上で説明したラッチ機能とAC波形の残りの半サイクル中のカットオフにより、SCRはACサイクルのチョッピングに効果的に使用できるため、負荷を任意の(調整可能な)低電力レベルで切り替えることができます。 。

位相制御とも呼ばれるこの機能は、SCRのゲートに適用される外部時報を介して実装できます。この信号は、ACフェーズが正の半サイクルを開始した後、SCRがどのくらいの遅延後に起動されるかを決定します。

したがって、これにより、ゲートトリガーの後に通過するAC波の部分のみを切り替えることができます。この位相制御は、シリコン制御サイリスタの主な機能の1つです。

サイリスタ(SCR)が位相制御でどのように機能するかは、以下の画像を見ると理解できます。

最初の図は、ゲートが永続的にトリガーされるSCRを示しています。これにより、最初の図に示されているように、完全な正の波形を最初から最後まで、中央のゼロ交差線を越えて開始できます。

サイリスタ位相制御

各正の半サイクルの開始時に、SCRは「オフ」です。ゲート電圧が誘導されると、SCRが導通状態になり、正の半サイクル全体で完全に「オン」にラッチされます。半サイクルの開始時にサイリスタがオンになると(θ= 0o)、接続された負荷(ランプまたは同様のもの)は、AC波形(半波整流AC)の正のサイクル全体で「オン」になります。 )0.318 xVpの高い平均電圧で。

ゲートスイッチの初期化が半サイクル(θ= 0o〜90o)に沿って上がると、接続されたランプの点灯時間は短くなり、ランプに供給される正味の電圧も同様に強度の低下が少なくなります。

その後、シリコン制御整流器をAC調光器として利用したり、ACモーター速度制御、熱制御デバイス、電力調整回路など、さまざまな追加のAC電源アプリケーションで利用したりするのは簡単です。

これまで、サイリスタは基本的に半波デバイスであり、アノードが正の場合は常にサイクルの正の半分でのみ電流を流すことができ、アノードが負の場合はダイオードのように電流が流れるのを防ぎます。 、ゲート電流がアクティブなままであっても。

それにもかかわらず、半サイクル、全波ユニットの両方向で動作するように設計された「サイリスタ」というタイトルで発生する、またはゲート信号によって「オフ」に切り替えることができる、類似の半導体製品のバリエーションをさらに多く見つけることができます。 。

この種の製品には、「ゲートターンオフサイリスタ」(GTO)、「静電誘導サイリスタ」(SITH)、「MOS制御サイリスタ」(MCT)、「シリコン制御スイッチ」(SCS)、「トライオードサイリスタ」(TRIAC)が組み込まれています。いくつかを識別するための「ライトトリガーサイリスタ」(LASCR)。これらのデバイスの多くは、さまざまな電圧および電流定格でアクセスできるため、非常に高い電力レベルでの使用が興味深いものになっています。

サイリスタの動作の概要

一般にサイリスタとして知られているシリコン制御整流器は、3接合PNPN半導体デバイスであり、主電源で動作する重い電気負荷のスイッチングに使用できる2つの相互接続されたトランジスタと見なすことができます。

それらはラッチされることを特徴とします-ゲートリードに適用される正電流の単一パルスによって「オン」になり、アノードからカソードへの電流が指定された最小ラッチ測定値を下回るか、逆になるまで、無限に「オン」を続けることができます。

サイリスタの静的属性

サイリスタは、スイッチング機能でのみ機能するように構成された半導体装置です。サイリスタは電流制御製品であり、小さなゲート電流でより実質的なアノード電流を制御できます。ゲートに順方向バイアスおよびトリガー電流が適用された場合にのみ電流を有効にします。

サイリスタは、たまたま「オン」にアクティブ化されると、整流ダイオードと同様に動作します。アノード電流は、伝導を維持するために電流値を維持する以上のものでなければなりません。ゲート電流が印加されているかどうかに関係なく、逆バイアスされた場合の電流通過を禁止します。

「ON」になるとすぐに、ゲート電流が印加されているかどうかに関係なく、ただしアノード電流がラッチ電流を上回っている場合にのみ、ラッチ「ON」が実行されます。

サイリスタは高速スイッチであり、振動部品がなく、接点アークがなく、劣化や汚れの問題があるため、多くの回路で電気機械式リレーの代わりに使用できます。

しかし、単に大電流を「オン」と「オフ」に切り替えるだけでなく、サイリスタを使用して、かなりの電力を消費することなくAC負荷電流のRMS値を管理することができます。サイリスタの電力制御の優れた例は、電灯、ヒーター、モーター速度の制御です。

次のチュートリアルでは、いくつかの基本的なことを見ていきます サイリスタ回路とアプリケーション AC電源とDC電源の両方を使用します。




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