السيليكون المعدل للرقابة

مقوم التحكم بالسيليكون (SCR)

مقوم التحكم بالسيليكون (SCR)، المعروف أيضًا باسم الثايرستور، هو مكون كهربائي عالي الطاقة. إنها تتميز بصغر الحجم والكفاءة العالية وعمر الخدمة الطويل. في أنظمة التحكم الآلي، يمكن استخدامه كمحرك عالي الطاقة للتحكم في الأجهزة عالية الطاقة باستخدام عناصر تحكم منخفضة الطاقة. لقد تم استخدامه على نطاق واسع في أنظمة التحكم في سرعة المحرك تكييف و العاصمة، وأنظمة تنظيم الطاقة، وأنظمة المؤازرة.

هناك نوعان من الثايرستور: الثايرستور أحادي الاتجاه والثايرستور ثنائي الاتجاه. الثايرستور ثنائي الاتجاه، المعروف أيضًا باسم الثايرستور ثنائي الاتجاه ثلاثي الأطراف، ويُختصر باسم ترياك. الثايرستور ثنائي الاتجاه يكافئ من الناحية الهيكلية اثنين من الثايرستور أحادي الاتجاه متصلين في الاتجاه المعاكس، وهذا النوع من الثايرستور له وظيفة التوصيل ثنائية الاتجاه. يتم تحديد حالة التشغيل/الإيقاف الخاصة به بواسطة عمود التحكم G. إن إضافة نبضة موجبة (أو سلبية) إلى عمود التحكم G يمكن أن يجعلها تسير في الاتجاه الأمامي (أو العكسي). تتمثل ميزة هذا الجهاز في أن دائرة التحكم بسيطة ولا توجد مشكلة في تحمل الجهد العكسي، لذلك فهو مناسب بشكل خاص للاستخدام كمفتاح تيار متردد غير تلامسي.

1 هيكل SCR

نحن نستخدم الثايرستور أحادي الاتجاه، المعروف أيضًا باسم الثايرستور العادي. وهي تتألف من أربع طبقات من مادة شبه موصلة، مع ثلاث وصلات ب.ن وثلاثة أقطاب خارجية [الشكل 2 (أ)]: يسمى القطب الكهربائي الذي يخرج من الطبقة الأولى من أشباه الموصلات من النوع P الأنود A، ويسمى القطب الكهربائي الخارج من الطبقة الأولى من أشباه الموصلات من النوع P. تسمى الطبقة الثالثة من أشباه الموصلات من النوع P قطب التحكم G، ويسمى القطب الخارج من الطبقة الرابعة من أشباه الموصلات من النوع N الكاثود K. من الرمز الإلكتروني للثايرستور [الشكل. 2 (ب)]، يمكننا أن نرى أنه جهاز موصل أحادي الاتجاه مثل الصمام الثنائي. المفتاح هو إضافة قطب تحكم G، مما يجعله يتمتع بخصائص تشغيل مختلفة تمامًا عن الصمام الثنائي.

بدأ الجهاز الطرفي P1N1P2N2 المكون من ثلاث طبقات، والذي يعتمد على بلورة السيليكون الأحادية كمادة أساسية، في عام 1957. نظرًا لخصائصه المشابهة للثايرستور الفراغي، يشار إليه عادةً عالميًا باسم ثايرستور السيليكون، ويُختصر باسم الثايرستور T. بالإضافة إلى ذلك، لأن الثايرستور كانت تستخدم في الأصل في التصحيح الساكن، وتعرف أيضًا باسم عناصر المعدل التي يتم التحكم فيها بالسيليكون، والمختصرة باسم الثايرستور SCR.

من حيث الأداء، فإن مقوم السيليكون الذي يتم التحكم فيه لا يتمتع بموصلية واحدة فحسب، بل يتمتع أيضًا بقدرة تحكم أكثر قيمة من مكونات مقوم السيليكون (المعروفة باسم"السيليكون الميت"). لديها حالتين فقط: تشغيل وإيقاف.

يمكن للثايرستور التحكم في المعدات الكهروميكانيكية عالية الطاقة بتيار مستوى ملي أمبير. إذا تم تجاوز هذه القدرة، فإن متوسط ​​التيار المسموح بالمرور سوف ينخفض ​​بسبب الزيادة الكبيرة في فقدان تبديل المكونات. في هذا الوقت، يجب تخفيض التيار الاسمي للاستخدام.

هناك العديد من مزايا الثايرستور، مثل التحكم في الطاقة العالية مع الطاقة المنخفضة، ويمكن أن يصل عامل تضخيم الطاقة إلى عدة مئات الآلاف من المرات؛ استجابة سريعة للغاية، يتم التشغيل وإيقاف التشغيل خلال أجزاء من الثانية؛ لا توجد عملية اتصال، ولا شرارة، ولا ضوضاء؛ كفاءة عالية، تكلفة منخفضة، الخ.

يتم تصنيف الثايرستور بشكل أساسي من حيث المظهر على شكل مسمار، وشكل لوحة مسطحة، وشكل قاع مسطح.

هيكل مكونات الثايرستور

بغض النظر عن مظهر الثايرستور، فإن جوهره عبارة عن هيكل P1N1P2N2 مكون من أربع طبقات يتكون من السيليكون من النوع P والسيليكون من النوع N. انظر الشكل 1. يحتوي على ثلاث وصلات ب.ن (J1، J2، J3)، مع الأنود A المقدم من الطبقة P1 للهيكل J1، والكاثود K المقدم من الطبقة N2، وقطب التحكم G المقدم من الطبقة P2. لذلك، فهو عبارة عن جهاز شبه موصل من أربع طبقات وثلاثة أطراف.

2 مبدأ التشغيل

العناصر الهيكلية

الثايرستور عبارة عن عنصر هيكلي طرفي مكون من ثلاث طبقات P1N1P2N2 مع ثلاث وصلات ب.ن. عند تحليل المبدأ، يمكن اعتباره مكونًا من ترانزستور بنب وترانزستور نبن، ويظهر الرسم البياني المكافئ له في الشكل الصحيح. الثايرستور ثنائي الاتجاه: الثايرستور ثنائي الاتجاه هو جهاز مقوم يتم التحكم فيه بالسيليكون، ويعرف أيضًا باسم ترياك. يمكن لهذا الجهاز تحقيق التحكم بدون تلامس في طاقة التيار المتردد في الدوائر، والتحكم في التيارات الكبيرة مع التيارات الصغيرة. إنه يتميز بمزايا عدم وجود شرارة، والعمل السريع، وعمر الخدمة الطويل، والموثوقية العالية، وهيكل الدائرة المبسط. من المظهر، الثايرستور ثنائي الاتجاه يشبه إلى حد كبير الثايرستور العادي، مع ثلاثة أقطاب كهربائية. ومع ذلك، باستثناء قطب كهربائي واحد G، والذي لا يزال يسمى قطب التحكم، فإن القطبين الآخرين عادة لم يعد يطلق عليهما الأنود والكاثود، ولكن يشار إليهما بشكل جماعي باسم القطبين الكهربائيين الرئيسيين ليرة تركية و T2. ويختلف رمزه أيضًا عن رمز الثايرستور العادي، والذي يتم رسمه عن طريق عكس اتصال اثنين من الثايرستور معًا، كما هو موضح في الشكل 2. ويتم تمثيل نموذجه بشكل عام بواسطة"3CTS"أو"كانساس"في الصين؛ يمكن أيضًا تمثيل البيانات الأجنبية بواسطة "ترياك". تختلف المواصفات والنماذج والمظهر وترتيب أطراف القطب الكهربائي للثايرستور ثنائي الاتجاه اعتمادًا على الشركة المصنعة، ولكن يتم ترتيب معظم أطراف القطب الكهربائي من اليسار إلى اليمين بترتيب T1 وT2 وG (عند ملاحظتها، تكون أطراف القطب الكهربائي متجهًا للأسفل ومواجهًا للجانب المميز بالأحرف). يظهر في الشكل 1 المظهر وترتيب دبوس القطب للثايرستور ثنائي الاتجاه ذو الهيكل البلاستيكي المغلف الأكثر شيوعًا في السوق.

3 خصائص SCR

من أجل فهم خصائص عمل الثايرستور بشكل حدسي، دعونا نلقي نظرة على لوحة التدريس هذه (الشكل 3). يتم توصيل الثايرستور ضد على التوالي مع المصباح الكهربائي الصغير إل ومتصل بمصدر طاقة التيار المستمر من خلال المفتاح S. لاحظ أن الأنود A متصل بالقطب الموجب لمصدر الطاقة، والكاثود K متصل بالقطب السالب للطاقة يتم توصيل قطب الإمداد والتحكم الكهربائي G بالقطب الموجب لمصدر الطاقة 1.5 فولت تيار مستمر من خلال مفتاح الزر س.ب (هنا، يتم استخدام الثايرستور من النوع KP1، وإذا تم استخدام الثايرستور من النوع KP5، فيجب توصيله بالقطب الموجب للقطب الموجب للقطب. 3 فولت تيار مستمر مصدر الطاقة). تسمى طريقة الاتصال بين الثايرستور ومصدر الطاقة بالاتصال الأمامي، مما يعني أنه يتم تطبيق الجهد الموجب على كل من الأنود وأعمدة التحكم في الثايرستور. قم بتشغيل مفتاح الطاقة S، لكن المصباح الكهربائي الصغير لا يضيء، مما يشير إلى أن الثايرستور لا يعمل؛ اضغط على مفتاح الزر س.ب مرة أخرى لإدخال جهد التشغيل إلى عمود التحكم. يضيء المصباح الكهربائي الصغير، مما يدل على أن الثايرستور موصل. ما هو الإلهام الذي قدمته لنا هذه التجربة التوضيحية؟

تخبرنا هذه التجربة أنه لجعل الثايرستور موصلًا، يجب تطبيق جهد أمامي بين الأنود A والكاثود K، والآخر هو إدخال جهد زناد أمامي بين قطب التحكم G والكاثود K. بعد تشغيل الثايرستور تشغيل، حرر مفتاح الزر، وأزل جهد التشغيل، مع الحفاظ على حالة التوصيل.

4 خصائص SCR

بلمسة واحدة. ومع ذلك، إذا تم تطبيق جهد عكسي على القطب الموجب أو قطب التحكم، فلن يتمكن الثايرستور من التوصيل. تتمثل وظيفة عمود التحكم في تشغيل الثايرستور عن طريق تطبيق نبض الزناد الأمامي، ولكن لا يمكن إيقاف تشغيله. إذًا، ما هي الطريقة التي يمكن استخدامها لإيقاف الثايرستور الموصل؟ من خلال إيقاف تشغيل الثايرستور الموصل، يمكن فصل مصدر طاقة الأنود (المفتاح S في الشكل 3) أو يمكن تقليل تيار الأنود إلى الحد الأدنى من القيمة المطلوبة للحفاظ على الاستمرارية (يشار إليه بتيار الصيانة). إذا كان هناك جهد تيار متردد أو جهد تيار مستمر نابض مطبق بين الأنود والكاثود للثايرستور، فسوف ينطفئ الثايرستور تلقائيًا عندما يتجاوز الجهد الصفر.

نوع التطبيق

ويبين الشكل 4 المنحنى المميز للثايرستور ثنائي الاتجاه.

كما هو موضح في الشكل، يتكون المنحنى المميز للثايرستور ثنائي الاتجاه من منحنيات داخل الربعين الأول والثالث. يشير المنحنى الموجود في الربع الأول إلى أنه عندما يتسبب الجهد المطبق على القطب الرئيسي في أن يكون لـ ح قطبية موجبة تجاه T1، فإنه يسمى الجهد الأمامي ويمثله الرمز U21. عندما يزيد هذا الجهد تدريجيًا إلى جهد نقطة التحول UBO، يقوم الثايرستور الموجود على الجانب الأيسر من الشكل 3 (ب) بتشغيل التوصيل، ويكون تيار الحالة في هذا الوقت هو I21، ويتدفق من T2 إلى ليرة تركية. من الشكل، يمكن ملاحظة أنه كلما زاد تيار التشغيل، انخفض جهد الدوران. يتوافق هذا الموقف مع قانون التوصيل المحفز للثايرستور العادي. عندما يتسبب الجهد المطبق على القطب الرئيسي في أن يكون لـ ليرة تركية قطبية موجبة تجاه T2، فإنه يسمى جهدًا عكسيًا ويمثله الرمز U12. عندما يصل هذا الجهد إلى قيمة جهد نقطة التحول، يقوم الثايرستور الموجود على الجانب الأيمن من الشكل 3 (ب) بتشغيل التوصيل، والتيار في هذا الوقت هو I12، مع اتجاه من T1 إلى T2. عند هذه النقطة، يظهر المنحنى المميز للثايرستور ثنائي الاتجاه في الربع الثالث من الشكل 4.

أربع طرق للإثارة

نظرًا لحقيقة أنه على القطب الرئيسي للثايرستور ثنائي الاتجاه، يمكن تشغيله وإجراءه بغض النظر عما إذا كان يتم تطبيق جهد أمامي أو عكسي، وما إذا كانت إشارة الزناد للأمام أو للخلف، فإنه يحتوي على طرق التشغيل الأربعة التالية: ( 1) عندما يكون الجهد المطبق بواسطة القطب الرئيسي T2 إلى ليرة تركية عبارة عن جهد أمامي، فإن الجهد المطبق بواسطة قطب التحكم G على القطب الكهربائي الأول ليرة تركية هو أيضًا إشارة إطلاق أمامية (الشكل 5 أ). بعد أن يقوم الثايرستور ثنائي الاتجاه بتشغيل التوصيل، يتدفق اتجاه التيار I2l من T2 إلى T1. من المنحنى المميز يمكن ملاحظة أن قانون التوصيل لزناد الثايرستور ثنائي الاتجاه يتم تنفيذه وفقًا لخصائص الربع الثاني، ولأن إشارة الزناد تكون في الاتجاه الأمامي، فإن هذا الزناد يسمى"الربع الأول الزناد إلى الأمام"أو طريقة I + مشغل. (2) إذا كان الجهد الأمامي لا يزال مطبقًا على القطب الرئيسي T2 وتم تغيير إشارة الزناد إلى إشارة عكسية (الشكل 5 ب)، فبعد أن يطلق الثايرستور ثنائي الاتجاه التوصيل، يظل اتجاه تيار الحالة من T2 إلى T1. نحن نسمي هذا الزناد"الزناد السلبي في الربع الأول"أو طريقة I-مشغل. (3) يتم تطبيق قطبين كهربائيين رئيسيين مع الجهد العكسي U12 (الشكل 5ج)، ويتم إدخال إشارة الزناد الأمامية. بعد تشغيل الثايرستور ثنائي الاتجاه، يتدفق تيار التشغيل من T1 إلى T2. يعمل الثايرستور ثنائي الاتجاه وفقًا للمنحنى المميز للربع الثالث، لذلك يُسمى هذا الزناد بطريقة الزناد ثالثا+. (4) لا يزال القطبان الكهربائيان الرئيسيان يطبقان الجهد العكسي U12، والإدخال عبارة عن إشارة إطلاق عكسية (الشكل 5 د). بعد تشغيل الثايرستور ثنائي الاتجاه، يستمر تيار الحالة في التدفق من T1 إلى T2. هذا الزناد يسمى اللمس الثالث

(4) لا يزال القطبان الكهربائيان الرئيسيان يطبقان الجهد العكسي U12، والإدخال عبارة عن إشارة إطلاق عكسية (الشكل 5 د). بعد تشغيل الثايرستور ثنائي الاتجاه، يستمر تيار الحالة في التدفق من T1 إلى T2. يُطلق على هذا المشغل اسم طريقة التشغيل ثالثا. على الرغم من أن الثايرستور ثنائي الاتجاه لديه طرق التشغيل الأربعة المذكورة أعلاه، إلا أن جهد التشغيل والتيار المطلوبين لإطلاق الإشارة السلبية صغيران نسبيًا. العمل موثوق به نسبيًا، لذلك يتم استخدام أساليب التشغيل السلبي على نطاق واسع في الاستخدام العملي.

5 الغرض

الاستخدام الأساسي للثايرستور العادي هو التصحيح الذي يمكن التحكم فيه. تنتمي دائرة مقوم الصمام الثنائي المألوفة إلى دائرة مقوم لا يمكن التحكم فيها. إذا تم استبدال الصمام الثنائي بالثايرستور، فيمكن تشكيل دائرة مقوم يمكن التحكم فيها. بأخذ أبسط دائرة مقوم يمكن التحكم فيها بنصف موجة أحادية الطور كمثال، خلال نصف الدورة الإيجابية لجهد التيار المتردد الجيبي U2، إذا لم يدخل عمود التحكم في ضد نبض الزناد اه، فإن ضد لا يزال غير قادر على التوصيل. فقط عندما يكون U2 في نصف الدورة الموجبة ويتم تطبيق نبض الزناد اه على عمود التحكم، يتم تشغيل الثايرستور للسلوك. ارسم شكلي الموجة (c) و(d)، وفقط عندما تصل نبضة الزناد اه، سيكون هناك خرج جهد أول على الحمل رل. يصل اه مبكرًا، ويكون وقت توصيل الثايرستور مبكرًا؛ وصل اه متأخرًا، وكان وقت توصيل الثايرستور متأخرًا. عن طريق تغيير الوقت الذي يصل فيه نبض الزناد اه إلى عمود التحكم، يمكن تعديل متوسط ​​جهد الخرج أول على الحمل. في التكنولوجيا الكهربائية، غالبًا ما يتم ضبط نصف دورة التيار المتردد على 180 درجة، والمعروفة باسم الزاوية الكهربائية. بهذه الطريقة، الزاوية الكهربائية التي تحدث خلال كل نصف دورة موجبة لـ U2 من الصفر إلى لحظة وصول نبض الزناد تسمى زاوية التحكم α؛ الزاوية الكهربائية التي يوصل بها الثايرستور خلال كل نصف دورة موجبة تسمى زاوية التوصيل θ من الواضح أن α و θ كلاهما يستخدمان لتمثيل نطاق التوصيل أو الحجب للثايرستور خلال نصف دورة من تحمل الجهد الأمامي. عن طريق تغيير زاوية التحكم α أو زاوية التوصيل θ، عن طريق تغيير متوسط ​​قيمة أول لجهد التيار المستمر النبضي على الحمل، يتم تحقيق تصحيح يمكن التحكم فيه.

1: يتم استخدام مقوم التحكم بالسيليكون ثنائي الاتجاه المغلف بالبلاستيك منخفض الطاقة بشكل شائع كنظام إضاءة صوتي. التصنيف الحالي: I ل أقل من 2A.

2: كبير؛ يتم استخدام الثايرستور ذو الطاقة المتوسطة المختومة بالبلاستيك والحديد المختوم بشكل شائع كدوائر تنظيم الجهد التي يمكن التحكم فيها من نوع الطاقة. مثل الجهد القابل للتعديل لإمداد الطاقة بتيار مستمر، وما إلى ذلك.

3: الثايرستور عالي التردد عالي الطاقة يستخدم بشكل شائع في الصناعة؛ فرن الصهر عالي التردد، إلخ