Siliciumgestuurde gelijkrichter (SCR) - werken, constructie, triggermethoden, typen en toepassingen

Een Silicon Controlled Rectifier (SCR) is een belangrijk vermogenshalfgeleiderapparaat dat veel wordt gebruikt voor het regelen van hoogspanning en stroom in elektrische en industriële systemen. Het vermogen om het vermogen efficiënt te schakelen en te regelen, maakt het nuttig in converters, motoraandrijvingen en automatiseringscircuits. In dit artikel worden de SCR-constructie, het werkingsprincipe, de kenmerken, de typen en de praktische toepassingen op een duidelijke en gestructureerde manier uitgelegd.

Wat is een Silicon Controlled Rectifier (SCR)?

Een Silicon Controlled Rectifier (SCR) is een driepolig vermogenshalfgeleiderapparaat dat wordt gebruikt om hoogspanning en stroom in elektrische circuits te regelen en te schakelen. Het is een lid van de thyristorfamilie en heeft een vierlaagse PNPN-structuur. In tegenstelling tot een eenvoudige diode, maakt een SCR gecontroleerd schakelen mogelijk omdat deze alleen wordt ingeschakeld wanneer een gate-triggersignaal wordt toegepast. Het wordt veel gebruikt in AC/DC-converters, motoraandrijvingen, batterijladers en industriële automatisering vanwege het hoge vermogen en de efficiëntie.

Constructie en symbool van SCR

Een Silicon Controlled Rectifier (SCR) is gebouwd met behulp van vier afwisselende lagen P-type en N-type halfgeleidermaterialen, die een PNPN-structuur vormen met drie juncties: J1, J2 en J3. Het heeft drie terminals:

• Anode (A): Verbonden met de buitenste P-laag

• Kathode (K): Verbonden met de buitenste N-laag

• Gate (G): Aangesloten op de binnenste P-laag en gebruikt voor triggering

Interactief kan een SCR worden gemodelleerd als twee onderling verbonden transistors - een PNP en een NPN - die een regeneratieve feedbacklus vormen. Deze interne structuur verklaart het vergrendelingsgedrag van de SCR, waarbij deze blijft geleiden, zelfs nadat het poortsignaal is verwijderd.

Het SCR-symbool lijkt op een diode, maar bevat een poortterminal voor besturing. Er vloeit stroom van anode naar kathode wanneer het apparaat door de poort wordt geactiveerd.

Werking van SCR

De SCR werkt in drie elektrische toestanden op basis van de anode-kathodespanning en het gate-signaal:

Omgekeerde blokkeringsmodus

Wanneer de anode negatief wordt gemaakt ten opzichte van de kathode, zijn de juncties J1 en J3 omgekeerd vertekend. Er vloeit slechts een kleine lekstroom. Overschrijding van de omgekeerde spanningslimiet kan het apparaat beschadigen.

Voorwaartse blokkeringsmodus (UIT-status)

Met de anode positief en de kathode negatief, zijn de juncties J1 en J3 voorwaarts gericht, terwijl J2 omgekeerd is gericht. De SCR blijft in deze toestand UIT, ook al wordt er voorwaartse spanning toegepast, waardoor stroom wordt voorkomen totdat er een trigger wordt gegeven.

Voorwaartse geleidingsmodus (AAN-status)

Het toepassen van een poortpuls in voorwaartse bias injecteert dragers die forward-bias junctie J2, waardoor geleiding mogelijk wordt. Eenmaal ingeschakeld, vergrendelt de SCR en blijft hij geleiden, zelfs nadat het poortsignaal is verwijderd, zolang de stroom boven de houdstroom blijft.

V-I-kenmerken van SCR

De V-I-karakteristiek definieert hoe de stroom van het apparaat reageert op de aangelegde spanning in verschillende bedrijfsregio's:

• Reverse Blocking Region: Minimale stroomstromen onder reverse bias totdat storing optreedt.

• Voorwaarts blokkerend gebied: De voorwaartse spanning neemt toe, maar de stroom blijft laag totdat de voorwaartse doorloopspanning (VBO) is bereikt.

• Voorwaarts geleidingsgebied: Na activering door een poortpuls gaat de SCR snel over naar een AAN-toestand met lage weerstand met een kleine voorwaartse spanningsval (1-2V).

Door de poortstroom te verhogen, verschuift de voorwaartse doorbraakspanning lager, waardoor eerder inschakelen mogelijk is. Dit is handig in fasegestuurde wisselstroomcircuits.

Schakelkarakteristieken van SCR

Schakelkarakteristieken beschrijven het gedrag van de SCR tijdens overgangen tussen UIT- en AAN-toestanden:

• Inschakeltijd (ton): Tijd die de SCR nodig heeft om volledig van UIT naar AAN te schakelen na een gate-puls. Het bestaat uit vertragingstijd, stijgtijd en spreidingstijd. Snellere inschakeling zorgt voor efficiënt schakelen in omvormers en omvormers.

• Uitschakeltijd (tq): Nadat de geleiding is gestopt, heeft de SCR tijd nodig om zijn voorwaartse blokkeringsvermogen terug te krijgen dankzij de opgeslagen ladingsdragers. Deze vertraging is gewild in hoogfrequente toepassingen en in DC-systemen zijn externe commutatiecircuits vereist.

Soorten SCR

SCR's zijn verkrijgbaar in verschillende constructiestijlen en prestatieklassen om te voldoen aan de vereisten van verschillende spannings-, stroom- en schakeltoepassingen. Hieronder staan de belangrijkste soorten SCR's die worden uitgelegd zonder gebruik te maken van een tabelformaat, zoals gevraagd.

Discrete kunststof SCR

Dit is een kleine SCR met een laag vermogen, meestal verpakt in TO-92-, TO-126- of TO-220-behuizingen. Het is zuinig en wordt vaak gebruikt in elektronische circuits met een lage stroomsterkte. Deze SCR's zijn ideaal voor eenvoudige wisselstroomschakeling, regelsystemen met laag stroomverbruik, lichtdimmers en acculadercircuits.

Kunststof module SCR

Dit type is ontworpen voor handling met gemiddelde tot hoge stroomsterkte. Het is ingesloten in een compacte plastic module die zorgt voor elektrische isolatie en eenvoudige montage. Deze SCR's worden veel gebruikt in UPS-systemen, industriële stroomregeleenheden, lasmachines en motorsnelheidsregelaars.

Perspakket SCR

Perspakket SCR's zijn heavy-duty apparaten die zijn gebouwd in een robuust metalen schijfachtig pakket. Ze bieden uitstekende thermische prestaties en een hoog stroomvermogen en hoeven niet te worden gesoldeerd. In plaats daarvan worden ze onder druk tussen koellichamen geklemd, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen met hoge betrouwbaarheid, zoals industriële aandrijvingen, tractiesystemen, HVDC-stroomtransmissie en elektriciteitsnetten.

Snel schakelende SCR

Snel schakelende SCR's, ook wel SCR's van inverterkwaliteit genoemd, zijn ontworpen voor circuits die op hogere frequenties werken. Ze hebben een korte uitschakeltijd en minder schakelverliezen in vergelijking met standaard SCR's. Deze apparaten worden vaak gebruikt in choppers, DC-DC-converters, hoogfrequente omvormers en pulsvoedingen.

Turn-ON-methoden van SCR

Verschillende manieren om een SCR tot geleiding te brengen, zijn onder meer:

Gate-triggering (meest voorkomend): Een gate-puls met laag vermogen zet de SCR op een gecontroleerde manier AAN. Gebruikt in de meeste industriële toepassingen.

Voorwaartse spanningsactivering: Als de voorwaartse spanning hoger is dan de doorbreekspanning, wordt de SCR ingeschakeld zonder poortpuls, die over het algemeen wordt vermeden vanwege stress op het apparaat.

Thermische triggering (ongewenst): Te hoge temperatuur kan onbedoeld de geleiding starten; Onjuiste koeling moet worden vermeden.

Light Triggering (LASCR): Lichtgevoelige SCR's gebruiken fotonen om geleiding te activeren in hoogspanningsisolatietoepassingen.

dv/dt-activering (ongewenst): Een snelle stijging van de voorwaartse spanning kan leiden tot onbedoeld inschakelen vanwege de verbindingscapaciteit. Snubber-circuits voorkomen dit.

Voordelen en beperkingen van SCR

Voordelen van SCR

• Hoge vermogens- en spanningsverwerking: SCR's zijn in staat om grote hoeveelheden vermogen te regelen, vaak in het bereik van honderden tot duizenden volt en ampère, waardoor ze geschikt zijn voor zware industriële toepassingen zoals motoraandrijvingen, HVDC-transmissie en stroomomvormers.

• Hoog rendement en lage geleidingsverliezen: Eenmaal ingeschakeld, geleidt de SCR met een zeer kleine spanningsval (meestal 1-2 volt), wat resulteert in een lage vermogensdissipatie en een hoge operationele efficiëntie.

• Vereiste kleine poortstroom: Het apparaat heeft slechts een kleine triggerstroom op de poortterminal nodig om AAN te zetten, waardoor eenvoudige regelcircuits met een laag vermogen mogelijk zijn om belastingen met een hoog vermogen te schakelen.

• Robuuste constructie en kosteneffectief ontwerp: SCR's zijn mechanisch robuust, thermisch stabiel en ontworpen om hoge piekstromen te weerstaan. Hun eenvoudige interne structuur maakt ze ook relatief goedkoop in vergelijking met andere vermogenshalfgeleiderschakelaars.

• Geschikt voor wisselstroomregeling: Omdat SCR's van nature worden uitgeschakeld wanneer de wisselstroom nul overschrijdt (natuurlijke commutatie), zijn ze ideaal voor AC-faseregelingstoepassingen zoals lichtdimmers, verwarmingsregelaars en wisselspanningsregelaars.

Beperkingen van SCR

• Unidirectionele geleiding: Een SCR geleidt stroom alleen in voorwaartse richting. Het kan de omgekeerde stroom niet effectief blokkeren, tenzij het wordt gebruikt met extra componenten zoals diodes, waardoor het gebruik ervan in sommige wisselstroomcircuits wordt beperkt.

• Kan niet worden uitgeschakeld met behulp van de poortterminal: Hoewel de SCR via de poort kan worden ingeschakeld, reageert deze niet op een poortsignaal voor het uitschakelen. De stroom moet onder de houdstroom komen of er moet een geforceerde commutatietechniek worden gebruikt in DC-circuits.

• Vereist commutatiecircuits in DC-toepassingen: In pure DC-circuits krijgt de SCR geen nulpunt met natuurlijke stroom om UIT te schakelen. Externe commutatiecircuits zijn nodig, waardoor de complexiteit en kosten van het circuit toenemen.

• Beperkte schakelsnelheid: SCR's zijn relatief traag in vergelijking met moderne halfgeleiderschakelaars zoals MOSFET's of IGBT's. Dit maakt ze ongeschikt voor hoogfrequente schakeltoepassingen.

• Gevoelig voor hoge dv/dt- en overspanningsomstandigheden: Een snelle stijging van de spanning over de SCR of een te hoge transiënte spanning kan een valse inschakeling veroorzaken, wat de betrouwbaarheid beïnvloedt. Dempercircuits en de juiste beschermende componenten zijn vereist om misfiring en apparaatstoringen te voorkomen.

Toepassingen van SCR

• Gestuurde gelijkrichters (AC naar DC-converters) – Gebruikt bij het opladen van batterijen en variabele DC-voedingen.

• AC-spanningsregelaars – Lichtdimmers, ventilatorsnelheidsregelaars en verwarmingsregelaars.

• Snelheidsregeling van DC-motor – Gebruikt in DC-aandrijvingen met variabele snelheid.

• Omvormers en omvormers – Voor de omzetting van gelijkstroom naar wisselstroom.

• Overspanningsbeveiliging (koevoetcircuits) – Beschermt voedingen tegen spanningspieken.

• Statische schakelaars / Solid State-relais – Snel schakelen zonder mechanische slijtage.

• Vermogensregelaars – Gebruikt in inductieverwarming en industriële ovens.

• Softstarters voor motoren – Regelt de inschakelstroom tijdens het starten van de motor.

• Krachtoverbrengingssystemen – Gebruikt in HVDC-systemen (High Voltage Direct Current).

SCR versus GTO-vergelijking

Een Gate Turn-Off Thyristor (GTO) is een ander lid van de thyristorfamilie en wordt vaak vergeleken met SCR's.

SCR testen met Ohmmeter

Voordat u een SCR in een stroomcircuit installeert, is het belangrijk om te controleren of deze elektrisch gezond is. Een defecte SCR kan kortsluiting of uitval van het hele systeem veroorzaken. Basistests kunnen worden uitgevoerd met behulp van een digitale of analoge multimeter in combinatie met een kleine DC-voeding voor het activeren van verificatie.

1 Test van poort naar kathode

Deze controleert of de poortovergang zich gedraagt als een diode.

• Zet de multimeter in de diodetestmodus

• Sluit de positieve (+) sonde aan op de poort (G) en de negatieve (–) sonde op de kathode (K). Een normale meting toont een voorwaartse spanningsval tussen 0,5 V en 0,7 V

• Draai de sondes om (+ naar K, – naar G). De meter moet OL (open loop) of een zeer hoge weerstand aangeven

Test voor het blokkeren van anode naar kathode

Dit zorgt ervoor dat de SCR niet intern wordt kortgesloten.

• Houd de multimeter in diodemodus of weerstandsmodus

• Sluit + sonde aan op anode (A) en – sonde op kathode (K). De SCR moet de stroom blokkeren en een open circuit vertonen (geen geleiding)

• Draai de sondes om (+ naar K, – naar A). De lezing moet nog steeds een open circuit zijn

SCR-triggertest (vergrendeling)

Dit bevestigt of de SCR goed kan worden ingeschakeld en vergrendeld.

• Gebruik een 6V of 9V batterij met een 1kΩ weerstand in serie

• Sluit batterij + aan op anode (A) en batterij – op kathode (K)

• Sluit Gate (G) kort aan op de anode via een weerstand van 100-220Ω. De SCR moet AAN en vergrendeling inschakelen, zodat er stroom kan lopen, zelfs na het verwijderen van de poortverbinding.

• Om het UIT te schakelen, koppelt u de stroom los - de SCR wordt ontgrendeld

Conclusie

De Silicon Controlled Rectifier blijft een belangrijk onderdeel van stroomregelsystemen vanwege zijn efficiëntie, hoge betrouwbaarheid en het vermogen om grote elektrische belastingen aan te kunnen. Van wisselspanningsregeling tot DC-motorbesturing en industriële conversiesystemen, SCR's blijven een cruciale rol spelen in de elektrotechniek. Een goed begrip van de basisprincipes van SCR helpt bij het ontwerpen van veilige en efficiënte vermogenselektronica.

Veelgestelde vragen [FAQ]

Wat is het verschil tussen SCR en TRIAC?

Een TRIAC kan stroom in beide richtingen geleiden en wordt gebruikt in AC-besturingstoepassingen zoals dimmers en ventilatorregelaars. Een SCR geleidt stroom slechts in één richting en wordt voornamelijk gebruikt voor DC-regeling of -gelijkrichting.

Waarom heeft een SCR een commutatiecircuit nodig?

In DC-circuits kan een SCR niet worden uitgeschakeld met alleen de poortklem. Een commutatiecircuit dwingt de stroom om onder de houdstroom te dalen, waardoor de SCR veilig UIT kan schakelen.

Wat zorgt ervoor dat een SCR mislukt?

SCR-storing wordt meestal veroorzaakt door overspanning, hoge piekstroom, onjuiste warmteafvoer of door dv/dt geactiveerde valse schakeling. Het gebruik van dempercircuits en koellichamen helpt storingen te voorkomen.

Kan een SCR wisselstroom regelen?

Ja, SCR's kunnen wisselstroom regelen met behulp van fasehoekregeling. Door de ontstekingshoek van het poortsignaal tijdens elke AC-cyclus te vertragen, kunnen de uitgangsspanning en het vermogen dat aan de belasting wordt geleverd, worden aangepast.

Wat is de houdstroom in een SCR?

Houdstroom is de minimale stroom die nodig is om de SCR in de AAN-stand te houden. Als de stroom onder dit niveau daalt, wordt de SCR automatisch uitgeschakeld, zelfs als deze eerder is geactiveerd.