Регулятор напряжения scr что это

Особенности регуляторов мощности SCR

Сегодня, более чем когда-либо, инженеры проектируют системы электрического технологического нагрева с использованием регуляторов мощности SCR. Использование регулятора мощности SCR имеет множество преимуществ: более точное управление процессом нагрева, увеличенный срок службы нагревателя, улучшенное качество продукции при более высоких скоростях производства и снижение затрат на обслуживание.

Если вы принимаете решения в своей компании, вы должны выбирать из множества типов компонентов, используемых во всем технологическом процессе. Возьмем, к примеру, контроль мощности. Вы можете спросить: «Зачем использовать кремниевый выпрямитель (SCR), регулирующий мощность?» Давайте ответим на данный вопрос.

В отличие от механического реле или контактора, регулятор мощности SCR не имеет механических частей, которые могут изнашиваться. Регулятор мощности SCR не будет подвергаться дуге или загрязнению контактов. А механическое реле необходимо будет заменить через определенное количество циклов. Из-за медленного (минимум 30 секунд) времени цикла, присущего механическим реле, управление напряжением с их помощью будет некачественным, в сравнении с SCR.

Ртутные реле смещения могут работать быстрее, чем механические реле. Однако при перегреве из-за слишком быстрой смены циклов или перегрузки ртутное реле взорвется. Это приводит к проблеме с опасными материалами. Из-за более строгих правительственных нормативов транспортировка и утилизация ртутных реле также становятся все труднее.

Минимальное номинальное напряжение SCR

Таблица 1: Минимальное номинальное напряжение SCR. Минимальное номинальное напряжение для SCR определяется уровнем напряжения питания, на котором он будет использоваться.

Продление срока службы вашего регулятора мощности

Три вещи разрушат все твердотельные регуляторы мощности:

Вот как уберечь их от выхода из строя на вашей производственной линии.

Перегрев

Почти все полупроводники будут разрушены при температуре внутреннего перехода 125 o C. Все твердотельные силовые устройства, такие как тиристоры, симисторы и твердотельные реле, рассеивают тепло. Падение напряжения на силовом устройстве приводит к выделению тепла. Это падение может составлять от 1 до 2 В в зависимости от устройства. Чем больше ток (в амперах) проходит через устройство, тем большую мощность устройство будет рассеивать в виде тепла. Это тепло необходимо убрать, иначе устройство выйдет из строя.

Даже при низкой мощности, такой как 25 А, каждая управляемая ножка твердотельного реле будет рассеивать около 50 Вт рассеиваемого тепла. Если у вас есть 20 регуляторов мощности твердотельных реле на DIN-рейке в небольшом корпусе, вам придется избавиться от 1000 Вт тепла! При установке элементов управления питанием следует использовать в два раза большую площадь, занимаемую устройством. Например, если регулятор мощности SCR имеет площадь основания 12 x 12 дюймов, используйте для установки область 24 x 24 дюйма.

Чтобы определить тепло, выделяемое контроллером SCR, используйте следующую формулу: для каждой контролируемой ветви (C) умножьте силу тока нагрузки (I) на 1,5.

C x I x 1,5 = рассеиваемая мощность (Вт)

Для создания безопасного расположения элементов, позволяющего поддерживать работу регуляторов мощности SCR в течение многих лет, нужно придерживаться следующих рекомендаций. Все тиристоры должны иметь предохранители и металлооксидную варисторную защиту по напряжению. Радиаторы должны быть расположены на безопасном расстоянии друг от друга для эффективного охлаждения. На дверце шкафа автоматики должен быть установлен вентилятор и вентиляционные отверстия в верхней части корпуса для обеспечения достаточного охлаждения для всех компонентов.

Защита от короткого замыкания и предохранители

Регуляторы напряжения, представленные в нашем интернет-магазине, имеют встроенные предохранители, которые позволят безопасно использовать их в нагревательных системах. Только будьте внимательны при выборе требуемой мощности, а лучше обратитесь к специалистам Элемаг за консультацией.

Помните, что 99,9% отказов предохранителей происходят из-за короткого замыкания нагревателей, слабых соединений, неправильного (слишком большого) согласования нагрузки или неправильного подключения регулятора мощности SCR. При высоких скачках нагрузки (вольфрамовые лампы, коротковолновые галогенные нагреватели) использование чего-либо, кроме плавного пуска, управления тиристором по углу сдвига по фазе, приведет к перегоранию предохранителей. Никогда не включайте холодный пусковой блок нагревателя после того, как был активирован плавный пуск.

Убедитесь, что размер регулятора мощности SCR соответствует нагрузке вашего нагревателя. Помните, что у нагревателей и линий электропередач есть допуски. В целях безопасности используйте регулятор мощности SCR с номиналом от 1 до 10 процентов от максимального потенциала нагрузки нагревателя.

Скачки напряжения

Скачки перенапряжения затронут почти все электронные устройства. Переходные скачки напряжения могут привести к пропуску зажигания в SCR или даже к необратимому повреждению SCR.

Самым простым в использовании защитным устройством является металлооксидный варистор (MOV). Варистор подключен к тиристору. При использовании варистора с номинальным напряжением выше, чем линейное напряжение, но ниже, чем пиковое напряжение SCR, металлооксидный варистор становится эффективной защитой от скачков напряжения. Если скачок переходного напряжения превышает номинальное напряжение варистора, варистор блокирует этот скачок. Если импульс достаточно мощный, металлооксидный варистор взорвется, защищая тиристор.

Постоянное перенапряжение разрушит SCR. Убедитесь, что тиристоры, используемые в регуляторе мощности, рассчитаны на достаточно высокое напряжение, чтобы выдерживать пики промышленного напряжения. Чем выше пиковое напряжение SCR, тем безопаснее он.

Выбор SCR

Фазо-угловые регуляторы пропорционально включают процентную долю каждого полупериода линии электропередачи. Это обеспечивает плавное, бесступенчатое приложение мощности к нагревателям. Самый точный метод управления, фазовый обжиг, также может увеличить срок службы нагревателя до семи раз, в зависимости от типа нагревателя. Кроме того, поджиг по фазе позволяет использовать такие опции, как плавный пуск, ограничение напряжения и тока. Эти параметры недоступны с другими средствами управления.

Элементы управления переключением при нулевом напряжении пропорционально включают и выключают каждый полный цикл линии питания. Изменяя количество циклов линии питания переменного тока, SCR обеспечивает питание нагревателей. Благодаря переменной временной развертке достигается оптимальное количество циклов включения и выключения. Этот метод создает меньше линейных шумов радиочастотных помех (RFI), чем тиристоры с фазо-угловым возбуждением.

Регуляторы включения / выключения работают так же, как механические или ртутные реле, но с тем преимуществом, что они намного сокращают время цикла.

Выполнив несколько простых шагов, регулятор мощности SCR может обеспечить превосходную производительность при минимальных затратах на обслуживание в течение многих лет.

Источник

Основные преимущества цифровых тиристорных контроллеров мощности SCR перед контакторами и твердотелыми реле

Мэтью Фишер, инженер по полевой эксплуатации, нагревательные изделия

В данной статье приводится сравнение электромеханических контакторов и твердотельных реле с контроллерами мощности SCR, эксплуатирующихся в аналогичных условиях включения-выключения. Контроллеры мощности SCR обладают рядом преимуществ, которые могут привести к снижению затрат и повышению управляемости процессом.

Электромеханические контакторы

Электромеханический контактор — это устройство, которое замыкает или размыкает контакт, позволяя включать и выключать электричество. Электрический управляющий сигнал запускает размыкание или замыкание контакта или контактов. Как правило, электромеханический контактор рассчитан на определенное количество циклов включения-выключения при работе в течение всего срока службы. Этот показатель зависит от производителя и обычно составляет от миллиона до нескольких миллионов циклов при номинальном токе и напряжении.

Таблица I. Расчет циклов включения-выключения для одного года при шести рабочих днях в неделю при работе в течение 48 недель и различной продолжительности технологических циклов контактора

Как показано в Таблице 1, за период технологического цикла в 30 секунд механический контактор выполняет 829 440 циклов включения-выключения в год. За период технологического цикла в 10 секунд механический контактор выполняет 2 488 320 циклов включения-выключения в год. В соответствии с рекомендацией изготовителя электрические контакты электромеханического контактора подлежат проверке и очистке, а также, возможно, ремонту или замене после достижения указанного количества операций включения-выключения.

Твердотельные реле

Твердотельное реле — это электронный переключатель, который работает без движущихся частей электромеханического реле. Благодаря отсутствию движущихся частей ожидаемый срок службы твердотельного реле больше. Стандартная продолжительность цикла для твердотельного реле составляет от 2 до 5 секунд. Твердотельное реле может работать с более быстрым циклом (включения/выключения), чем сопоставимый механический контактор.

Однако твердотельное реле имеет более высокое контактное сопротивление и подвержено повреждениям из-за тока перегрузки. Также имеются ограничения по схемам переключения по сравнению с электромеханическим контактором (обычно это SPST-контакт).

Таблица 2. Расчет циклов включения-выключения для одного года при шести рабочих днях в неделю при работе в течение 48 недель и различной продолжительности технологических циклов твердотельного реле (Твердотельные реле могут переключать выходную нагрузку быстрее, чем механические контакторы)

Модули контроллера мощности SCR

Модуль контроллера мощности SCR предназначен для быстрого переключения мощности, подаваемой на выходную нагрузку.

Таблица 3. Таблица I. Расчет циклов включения-выключения для одного года при шести рабочих днях в неделю при работе в течение 48 недель и различной продолжительности технологических циклов модуля контроллера мощности SCR

Стандартное время цикла составляет 1 секунду, что означает, что для указанных условий SCR будет выполнять 24 883 200 операций в год.

На рисунке 1 ниже приводится сравнение вычисленного общего количества циклов работы электромеханического реле, твердотельного реле (SSR) и SCR за 48 недель при работе шесть дней в неделю.

Типовая эксплуатация: циклы включения и выключения

Электромеханический контактор и твердотельное реле переключают ток на нагрузку, когда получают соответствующий сигнал. Это означает, что устройства могут включать и выключать питание для выходной нагрузки в любой точке синусоидальной волны.

В США электричество подается с частотой 60 циклов в секунду или 60 Гц. Когда питание, подаваемое на устройство, не включается и не выключается в точке пересечения нуля на синусоидальной волне, в сигнале возникают всплески напряжения, и образуются радиопомехи и гармоники. При таком варианте случайного включения и выключения может возникать дуга.

Во время работы при полном выключении или включении контактор и твердотельные реле работают эффективно (никаких помех при полном включении или выключении). Однако в стандартных рабочих условиях процесса генерируемые гармоники могут вызывать искажение синусоидального сигнала, передаваемого энергетической компанией. Это может привести к проблемам для измерительного оборудования энергетической компании, из-за чего создается впечатление, что измеренная или требуемая мощность больше, чем фактическая используемая мощность. Это влечет увеличение затрат на энергоносители.

Модули контроллера мощности SCR

Модуль контролл ера мощности SCR — это электронное полупроводниковое устройство, предназначенное для эффективного регулирования мощности на выходной нагрузке. Может очень быстро переключать питание, подаваемое на выходную нагрузку (например, в миллисекундах), по сравнению с механическим контактором или твердотельным реле.

Потребление энергии, радиопомехи и гармоники

Перекрестный режим работы позволяет SCR функционировать аналогично контакторам и твердотельным реле, работающим за счет полного включения и отключения питания. Однако в перекрестном режиме SCR включает и выключает выход в точке пересечения нуля на синусоидальной волне, что устраняет потенциальные радиопомехи, гармоники и искрения, на контакторах и твердотельных реле.

SCR обеспечивает более последовательное и эффективное регулирование мощности для выходной нагрузки, тем самым уменьшая потенциальные вредные эффекты и минимизируя энергопотребление в отличии от контакторов и твердотельных реле при устранении воздействия радиопомех и гармоник.

Уменьшение затрат на энергоносители

Способность SCR передавать мощность на нагрузку в точке пересечения нуля также помогает снизить затраты на энергоносители, связанные с «грязным» питанием. «Грязная» энергия при коэффициенте мощности ниже единицы обычно приводит к значительным штрафам энергетических компаний. SCR оказывает положительное влияние на электросеть, что позволяет снизить штрафы за «грязное» питание и, в конечном итоге, сократить расходы на коммунальные услуги.

Точность управления

Модуль контроллера мощности SCR обеспечивает более точное управление процессом по сравнению с контакторами и твердотельными реле. Может включаться и выключаться гораздо быстрее. Например, для обеспечения точного разрешения управления управляющий выход SCR может включаться и выключаться в течение 1 секунды.

Для выхода 60% мощности технологического контроллера SCR включается на 0,6 секунды (60% от 1 секунды или 36 циклов из 60 циклов) и выключается на 0,4 секунды (40% от 1 секунды или 24 цикла из 60 циклов) в течение 1-секундного периода времени.

Способность контроллера мощности SCR включать и выключать выход в точке пересечения нуля позволяет устранить потенциальные радиопомехи, гармоники и искрения на контакторах и твердотельных реле.

На рисунке 5 справа отображено визуальное представление стандартных периодов времени цикла для SCR, твердотельного реле (SSR) и электромеханического контактора, и сравнение каждого из них с продолжительностью цикла включения 60% и отключения 40% из расчета 60 циклов в секунду (60 Герц). SCR обеспечивает более точное разрешение управления по сравнению с SSR и электромеханическим контактором.

На рисунке 6 показано, что входной технологический сигнал в SCR может изменяться, при этом выходной технологический сигнал SCR поддерживает температуру на устойчивом уровне. Сравните это с контактором, который может включаться и выключаться в течение периода времени от 10 до 30 секунд, или с твердотельным реле, включающимся и выключающимся в течение периода от 2 до 5 секунд. Для сравнения, модуль контроллера мощности SCR минимизирует отставание и опережение в контролируемом процессе.

Обратите внимание на рисунок 7, на котором входной технологический сигнал на контакторе изменяется и отключается, а технологический выход (разомкнутый или замкнутый контакт) показывает некоторое изменение контроля температуры из-за циклической природы выходного сигнала включения/выключения и периода времени.

Модуль контроллера мощности SCR минимизирует отставание и опережение в контролируемом процессе.

Срок службы нагревателя

Способность контроллера мощности SCR обеспечивать более точное управление термоэлемента продлевает срок службы. При уменьшении количества включений/выключений нагревательного элемента, тратится меньше времени на переход между горячим (расширение) и холодным (сжатие) состояниями. Это обеспечивает относительно равномерную температуру нагревательного элемента во время работы и продлевает срок службы.

Способность контроллера мощности SCR обеспечивать более точное управление термоэлементом увеличивает срок службы.

Экономичность

Способность SCR обеспечивать точное управление приводит к повышению общей эффективности оборудования (OEE) для пользователя. Кроме того, повышенная устойчивость технологического управления и увеличенный срок службы нагревателя повышают отдачу по инвестициям (ROI). Повышенная устойчивость управления приводит к меньшей вариативности процесса, что помогает оптимизировать технологический цикл и снизить общую стоимость цикла. Кроме того, увеличенный срок службы нагревателя позволяет обрабатывать больше циклов с одним и тем же оборудованием, что снижает эксплуатационные затраты (COO).

Стойкость к шуму и переходным токам

Промышленное качество электроэнергии не всегда идеально. Провалы в линии напряжения, помехи от другого оборудования и ситуации пиковой нагрузки могут привести к ложному срабатыванию, сбросу и изменению выходной мощности.

Усовершенствованные модули контроллеров мощности SCR включают цифровые и аналоговые технологии для подавления последствий низкого качества линии, включая программное обеспечение и аналоговые фильтры, оптическую изоляцию между секциями управления и питания, а также настраиваемые сигналы напряжения и тока. Электромеханические контакторы и твердотельные реле не учитывают низкого качества линии питания.

На рисунке 8 показан стабильный выходной сигнал от SCR, несмотря на низкое качество входящей линии.

Активный технологический мониторинг

SCR контролирует работу, используя трансформаторы напряжения и тока, чтобы измерить текущее состояние в режиме реального времени. Эта информация используется для управления процессом через напряжение, ток или мощность.

Технологические значения процесса могут контролироваться путем взаимодействия с внешними устройствами с использованием либо аналогового выхода, либо через интерфейс связи полевой шины.

Диагностика и выявление неисправностей

SCR самостоятельно контролирует и отключает выходную мощность в случае сбоя. Обычно также имеются светодиоды для индикации неисправности.

Электромеханические контакторы могут выходить из строя в одном из двух режимов: неисправность может быть функцией сварных контактов (выходная мощность замкнута на включение) или функцией разомкнутых контактов (выходная мощность отключена). Контакты более подвержены выходу из строя в разомкнутом состоянии. Твердотельные контакты реле, как правило, выходят из строя от короткого замыкания при включении, что может привести к перегреву нагревательных элементов и связанного оборудования.

Оптимизированное энергопотребление

Несколько модулей контроллеров мощности SCR могут быть скоординированы для оптимизации потребления энергии. Это снижает пиковую нагрузку по сравнению с несколькими модулями контроллеров мощности SCR, работающими одновременно без координации.

По сравнению с несогласованной работой контакторов и твердотельных реле способность координировать и оптимизировать энергопотребление модулей контроллеров мощности SCR снижает общие эксплуатационные расходы.

На рисунке 11, страница 9, показана основная потребляемая мощность при нагрузке без координации с потребляемой мощностью. Обратите внимание на то, что координация энергопотребления снижает общую потребляемую мощность. Thyro-Power Manager обеспечивает статически последовательную оптимизацию нескольких SCR. Работа dASM обеспечивает динамическую оптимизацию нескольких модулей управления питанием SCR с целью снижения нагрузки на сеть.

Способность координировать и оптимизировать энергопотребление модулей контроллеров мощности SCR снижает общие эксплуатационные расходы.

Коммуникационные возможности

Усовершенствованные модули контроллеров мощности SCR могут связываться с другими устройствами (компьютерами, ПЛК), используя дополнительные протоколы полевой шины. Эта коммуникационная возможность позволяет обеспечить тесную интеграцию в общую схему технологического управления пользователя.

Стандартные коммуникационные протоколы включают в себя следующие:

Преимущества SCR

Контроллеры мощности SCR обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с контакторами и твердотельными реле и включают в себя:

Выводы

Использование модулей контроллеров мощности SCR в сфере электрического теплового нагрева дает несколько преимуществ по сравнению с использованием электромеханических контакторов или твердотельных реле. В частности, преимущества включают в себя:

Данные преимущества могут привести к снижению стоимости эксплуатации и общих эксплуатационных расходов.

Дополнительные преимущества могут быть реализованы с помощью таких функций SCR, как диагностика, коммуникационные возможности и оптимизированное энергопотребление для нескольких SCR.

Источник

Тиристор SCR (управляемый кремниевый выпрямитель)

Динисторы (диоды Шокли) и тиристоры SCR (Silicon Controlled Rectifiers, управляемые кремниевые выпрямители)

Динисторы (диоды Шокли) – это довольно любопытные устройства, но довольно ограниченные в применении. Однако их полезность может быть расширена путем оснащения их другим средством отпирания. При этом каждый из них становится настоящим усилительным устройством (только если в режиме отпирания/запирания), и мы называем их кремниевыми управляемыми выпрямителями (silicon-controlled rectifier) или SCR тиристорами.

Тиристор SCR (silicon-controlled rectifier, кремниевый управляемый выпрямитель), или просто тринистор

Развитие от динистора до тринистора достигается с помощью одного небольшого дополнения, фактически не более чем третьего подключения к существующей структуре PNPN (рисунок ниже).

Тиристор SCR (управляемый выпрямитель, тринистор)

Проводимость управляемых выпрямителей SCR (тринисторов)

Если управляющий электрод тринистора остается висящим в воздухе (неподключенным), он ведет себя точно так же, как динистор (диод Шокли). Он может быть отперт напряжением переключения или превышением критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом, всё как у динистора. Запирание осуществляется за счет уменьшения тока до тех пор, пока один или оба внутренних транзистора не упадут в режим отсечки, всё как у динистора. Однако, поскольку управляющий вывод подключается непосредственно к базе нижнего транзистора, он может использоваться как альтернативное средство отпирания тиристора SCR. Прикладывая небольшое напряжение между управляющим электродом и катодом, нижний транзистор будет открываться результирующим тока базы, что приведет к тому, что верхний транзистор будет проводить ток, а затем запитывать базу нижнего транзистора, поэтому он больше не будет нуждаться в активации напряжением управляющего электрода. Разумеется, необходимый для отпирания ток управляющего вывода будет намного ниже, чем ток через SCR тиристор от катода до анода, поэтому, используя SCR тиристор, можно добиться усиления.

Переключение/запуск

Данный метод обеспечения проводимости тиристора SCR называется запуском или переключением, и на сегодняшний день наиболее распространенным способом является тот, которым SCR тиристор отпирается в реальной практике. Фактически, SCR тиристоры обычно выбираются так, чтобы их напряжения переключения находились далеко за пределами наибольшего напряжения, ожидаемого от источника питания, поэтому его можно включить (отпереть) только путем преднамеренного импульса напряжения, подаваемого на управляющий вывод.

Обратное переключение

Следует отметить, что SCR тиристоры иногда могут быть выключены (заперты) путем прямого замыкания управляющего вывода и вывода катода или с помощью «обратного переключения» управляющего вывода отрицательным напряжением (относительно катода), чтобы принудительно перевести нижний транзистор в режим отсечки. Я говорю, что это «иногда» возможно потому, что это включает в себя шунтирование всего тока верхнего транзистора через базу нижнего транзистора. Этот ток может быть существенным, что в лучшем случае затрудняет запирание SCR тиристора. Вариация SCR тиристора под названием запираемый тиристор, или GTO (Gate-Turn-Off), облегчает эту задачу. Но даже с GTO тиристором ток управляющего электрода, необходимый для его отключения, может составлять до 20% от тока анода (нагрузки)! Условное обозначение GTO тиристора показано на рисунке ниже.

Условное обозначение GTO тиристора

SCR тиристоры против GTO тиристоров

Тиристоры SCR и GTO имеют одну и ту же эквивалентную схему (два транзистора, соединенные по принципу положительной обратной связи), единственными отличиями являются детали конструкции, предназначенные для предоставления NPN транзистору большего коэффициента β, чем у PNP транзистора. Это позволяет меньшему току управляющего электрода (прямому или обратному) осуществлять большую степень управления проводимостью от катода к аноду, причем открытое состояние PNP транзистора больше зависит от NPN транзистора, чем наоборот. Запираемый тиристор GTO также известен под названием тиристор GCS (Gate-Controlled Switch).

Проверка работоспособности SCR тиристора с помощью мультиметра

Элементарный тест работоспособности SCR тиристора или, по крайней мере, определение выводов, может выполняться измерителем сопротивления. Поскольку внутреннее соединение между управляющим электродом и катодом является PN переходом, мультиметр должен показывать целостность соединения между этими выводами с красным измерительным щупом на управляющем электроде и черным измерительным щупом на катоде следующим образом (рисунок ниже).

Элементарная проверка SCR тиристора

Все остальные измерения целостности соединений, выполненные на SCR тиристоре, будут показывать «разрыв» («OL» на дисплеях некоторых цифровых мультиметров). Следует понимать, что этот тест очень груб и не является полной оценкой SCR тиристора. SCR тиристор может давать хорошие показания омметра и по-прежнему оставаться неисправным. В конечном счете, единственный способ проверить SCR тиристор – подвергнуть его нагрузочному току.

У больших SCR тиристоров между управляющим электродом и катодом есть встроенный резистор

SCR тиристоры с чувствительным управляющим электродом

«Обычные» SCR тиристоры, лишенные внутреннего резистора, иногда называются SCR тиристорами с чувствительным управляющим электродом из-за их способности запускаться малейшим положительным сигналом на управляющем электроде.

Тестовая схема для SCR тиристора является практичной в качестве диагностического инструмента для проверки подозрительных SCR тиристоров, а также отличной помощью для понимания основ работы SCR тиристоров. Для питания схемы используется источник питания постоянного тока, а два кнопочных коммутатора используются для отпирания и запирания SCR тиристора (рисунок ниже).

Схема для проверки SCR тиристоров

Нажатие нормально замкнутой кнопки «выкл» разрывает цепь, заставляя ток через SCR тиристор остановиться, тем самым вынуждая его запереться (величина тока ниже тока удержания).

Ток удержания

Если SCR тиристор не отпирается, проблема может быть связана с нагрузкой, а не с тиристором. Чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, требуется определенная величина тока нагрузки. Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может и не набирать достаточный ток, чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, когда прекращается ток через управляющий электрод, что дает ложное впечатление о плохом (неотпираемом) SCR тиристоре в тестовой схеме. Значения тока удержания для разных SCR тиристоров доступны у производителей. Типовые значения тока удержания колеблются от 1 миллиампера до 50 миллиампер и более для больших тиристоров.

Чтобы проверка была исчерпывающей, необходимо протестировать более чем переключающее поведение. Прямое напряжение переключения SCR тиристора можно проверить, увеличивая напряжение источника постоянного тока (без нажатия кнопок) до тех пор, пока SCR тиристор не отопрется самостоятельно. Остерегайтесь того, что для теста переключения может потребоваться очень высокое напряжение: многие мощные SCR тиристоры имеют номинальное напряжение переключения 600 вольт и более! Кроме того, если имеется импульсный генератор напряжения, аналогичным способом может быть проверена критическая скорость повышения напряжения SCR тиристора: необходимо подвергнуть тиристор импульсному напряжению с разными скоростями напряжение/время без воздействия на кнопочные переключатели и пронаблюдать, когда тиристор отопрется.

В этом простом виде, схема для проверки SCR тиристоров может быть достаточной в качестве схемы управления запуском/остановкой для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки (рисунок ниже).

Схема управления запуском/остановкой двигателя постоянного тока

Схема «монтировки»

Другое практическое применение SCR тиристора в схемах постоянного тока – это устройство «монтировки» для защиты от перенапряжения. Схема «монтировки» состоит из SCR тиристора, установленного параллельно выходу источника постоянного напряжения, для установления короткого замыкания на выходе этого источника питания, чтобы предотвратить подачу слишком повышенного напряжения на нагрузку. Повреждение SCR тиристора и источника питания предотвращается путем установки перед SCR тиристором подходящего предохранителя или существенного последовательного сопротивления для ограничения тока короткого замыкания (рисунок ниже).

Схема «монтировки», используемая в источнике питания постоянного тока

Некоторое устройство или схема, определяющие выходное напряжение, будут подключены к управляющему электроду SCR тиристора, поэтому при возникновении состояния перенапряжения между управляющим электродом и катодом будет приложено напряжение, отпирающее SCR тиристор и заставляющее сработать предохранитель. Эффект будет примерно таким же, как кидание стальной монтировки прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и название схемы.

Большинство применений SCR тиристоров предназначены для управления питанием переменным током, несмотря на то, что SCR тиристоры являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если схеме требуется двунаправленный ток, можно использовать несколько SCR тиристоров, причем для обработки обоих полупериодов волны переменного тока в каждом направлении должны смотреть один или несколько тиристоров. Основная причина, по которой SCR тиристоры вообще используются в приложениях управления питанием переменным током, – это уникальная реакция тиристора на переменный ток. Как мы видели, тиратронная лампа (электронно-ламповая версия SCR тиристора) и симметричный динистор (DIAC), гистерезисное устройство, запускаемое во время части полупериода переменного тока, будут отпираться и оставаться включенными на протяжении всей оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток не уменьшится до нуля, так как должен начинать следующий полупериод. Только перед точкой пересечения нуля сигналом переменного тока тиристор отключится (запрется) из-за недостаточного тока (это поведение также называется естественной коммутацией) и должен будет снова отпереться в следующем периоде. Результатом является ток цепи, эквивалентный «обрезанной» синусоиде. Для примера, ниже приведен график отклика симметричного динистора (DIAC) на переменное напряжение, пиковое значение которого превышает напряжение переключения DIAC.

Двунаправленный отклик симметричного динистора (DIAC)

При использовании DIAC предельное напряжение переключения было фиксированной величиной. С SCR тиристором мы контролируем, когда точно устройство отпирается путем переключения управляющего вывода в любой момент времени периода сигнала. Подключив подходящую схему управления к управляющему электроду SCR тиристора, мы можем «обрезать» синусоиду в любой точке, чтобы обеспечить пропорционально времени управление питанием на нагрузке.

Возьмем в качестве примера схему на рисунке ниже. Здесь SCR тиристор помещается в схему для управления питанием нагрузки, потребляемым от источника переменного тока.

Управление питанием переменным током с помощью SCR тиристора

Будучи однонаправленным (односторонним) устройством, самое большее, что мы можем подать на нагрузку, это только одна полуволна во время полупериода переменного тока, когда полярность напряжения питания положительна сверху и отрицательна снизу. Однако для демонстрации базовой идеи управления пропорционально времени эта простая схема подходит лучше, чем схема, управляющая мощностью во время всей волны (для чего потребуется два SCR тиристора).

При отсутствии переключения на управляющем электроде и величине напряжения источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения переключения SCR тиристора SCR тиристор никогда не откроется. Подключение управляющего электрода SCR тиристора к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через управляющий вывод в случае, если SCR тиристор содержит встроенный резистор между управляющим выводом и катодом) позволит запускать SCR тиристор почти сразу в начале каждого положительного полупериода (рисунок ниже).

Управляющий электрод подключен напрямую к аноду через диод; через нагрузку протекает почти целая полуволна тока.

Задержка запуска SCR тиристора

Однако мы можем отложить запуск SCR тиристора, вставив некоторое сопротивление в цепь управляющего электрода, тем самым увеличивая величину падения напряжения, требуемого перед тем, как будет достигнут достаточный ток управляющего электрода SCR тиристора. Другими словами, если мы затрудняем движение электронов через управляющий электрод путем добавления сопротивления, переменное напряжение должно будет достигнуть более высокой точки в своем цикле, прежде чем будет достигнут достаточный ток управляющего вывода, чтобы включить SCR тиристор. Результат показан на рисунке ниже.

В цепь управляющего электрода вставлено сопротивление; через нагрузку протекает меньше полуволны тока.

Когда сигнал «полусинусоиды» будет в значительной степени обрезан за счет задержки запуска SCR тиристора, нагрузка получит меньшую среднюю мощность (питание подается на меньшее время в течение всего периода). Сделав последовательный резистор в цепи управляющего электрода переменным, мы можем подстроить мощность пропорционально времени (рисунок ниже).

Увеличение сопротивления повышает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит меньшая мощность.
Уменьшение сопротивления понижает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит большая мощность.

К сожалению, эта схема управления имеет значительные ограничения. При использовании сигнала источника переменного тока в качестве сигнала, переключающего наш SCR тиристор, мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем подождать, чтобы переключить SCR тиристор после пика сигнала. Это означает, что мы можем убавить мощность только до того момента, когда SCR тиристор включится на самом пике сигнала.

Схема при установке минимальной мощности

Повышение порога срабатывания переключения приведет к тому, что схема не будет запускаться вообще, так как даже пик переменного напряжения источника питания будет недостаточным для запуска SCR тиристора. В результате питание на нагрузку подаваться не будет.

Гениальное решение этой дилеммы управления обнаруживается при добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора (рисунок ниже).

Добавление в схему фазосдвигающего конденсатора

Меньший сигнал, показанный на графике, представляет собой напряжение на конденсаторе. Для иллюстрации фазового сдвига я предполагаю условие максимального управляющего сопротивления, когда SCR не запускается вообще и не подает на нагрузку ток, за исключением того, какой небольшой ток проходит через управляющий резистор и конденсатор. Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0° до 90°, отставая от сигнала переменного тока. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, SCR тиристор отпирается.

При напряжении на конденсаторе, достаточном для периодического запуска SCR тиристора, итоговый сигнал тока нагрузки будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Сдвинутый по фазе сигнал переключает SCR тиристор в режим проводимости

Поскольку сигнал на конденсаторе всё еще растет после того, как основной сигнал от источника питания достиг своего пика, становится возможным запустить SCR тиристор на пороговом уровне за этим пиковым значением, тем самым обрезая сигнал тока нагрузки дальше, чем это было возможно с более простой схемой. В действительности сигнал напряжения конденсатора немного сложнее, чем показано здесь, его синусоидальная форма искажается каждый раз, когда открывается SCR тиристор. Однако то, что я пытаюсь проиллюстрировать здесь, – это отложенное срабатывание, связанное с фазосдвигающей RC цепью; таким образом, упрощенная, неискаженная форма сигнала хорошо служит этой цели.

Запуск SCR тиристоров сложными схемами

SCR тиристоры также могут быть запущены, или «отперты», более сложными схемами. Хотя ранее показанная схема достаточна для простого применения, такого как управление лампой, управление большими промышленными двигателями часто опирается на более сложные схемы запуска. Иногда для соединения схемы запуска с управляющим электродом и катодом SCR тиристора для обеспечения электрической изоляции между цепями запуска и силовыми цепями используются импульсные трансформаторы (рисунок ниже).

Трансформаторная связь сигнала переключения обеспечивает изоляцию

Когда для управления питанием используется несколько SCR тиристоров, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение единой схемы запуска ко всем SCR тиристорам одинаково. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель, показанный на рисунке ниже.

Управляемый мостовой выпрямитель

В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в этом примере выпрямительные SCR тиристоры) должны проводить ток в противоположных парах. SCR₁ и SCR₃ должны быть запущены одновременно, и SCR₂ и SCR₄ должны быть запущены как пара. Однако, как вы заметили, эти пары SCR тиристоров не используют одни и те же соединения катодов, а это означает, что схема не будет работать, если просто запараллелить их управляющие электроды и подключить к ним единый источник напряжения, чтобы запустить оба тиристора (рисунок ниже).

Эта стратегия не будет работать для запуска SCR₂ и SCR₄ в качестве пары

Хотя показанный источник напряжения запуска запустит SCR₄, он не запустит должным образом SCR₂, потому что эти два тиристора не имеют общего соединения катодов для использования его в качестве опорной точки для напряжения запуска. Однако импульсные трансформаторы, подключающие два управляющих электрода тиристоров к источнику напряжения запуска, будут работать (рисунок ниже).

Трансформаторная связь управляющих электродов позволяет запускать SCR₂ и SCR₄

Имейте в виду, что эта схема показывает подключение управляющих электродов только двух из четырех SCR тиристоров. Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR₁ и SCR₃, а также детали самих импульсных источников были опущены для простоты.

Управляемые мостовые выпрямители не ограничиваются однофазными схемами. В большинстве промышленных систем питание переменным током доступно в трехфазной форме для получения максимальной эффективности, и из-за своих преимуществ в них используются твердотельные схемы управления. Схема трехфазного управляемого выпрямителя, построенная на SCR тиристорах, не показывающая импульсных трансформаторов и схем запуска, будет выглядеть как на рисунке ниже.

Трехфазное мостовое управление нагрузкой на SCR тиристорах

Источник