المعدل الذي يتم التحكم فيه بالسيليكون (SCR) - العمل والبناء وطرق التشغيل والأنواع والتطبيقات

المعدل الذي يتم التحكم فيه بالسيليكون (SCR) هو جهاز رئيسي لأشباه الموصلات الكهربائية يستخدم على نطاق واسع للتحكم في الجهد العالي والتيار في الأنظمة الكهربائية والصناعية. قدرتها على تبديل الطاقة وتنظيمها بكفاءة تجعلها مفيدة في المحولات ومحركات المحركات ودوائر الأتمتة. تشرح هذه المقالة بناء SCR ومبدأ العمل والخصائص والأنواع والتطبيقات العملية بطريقة واضحة ومنظمة.

ج 1. ما هو المعدل المتحكم فيه بالسيليكون (SCR)؟

ج 2. البناء ورمز SCR

ج 3. تشغيل SCR

ج 4. خصائص V-I ل SCR

ج 5. خصائص التبديل ل SCR

ج 6. أنواع SCR

ج 7. طرق تشغيل SCR

ج 8. مزايا وقيود SCR

ج 9. تطبيقات SCR

ج 10. مقارنة SCR مقابل GTO

ج 11. اختبار SCR باستخدام مقياس الأومتر

ج 12. استنتاج

ج 13. الأسئلة المتكررة [FAQ]

ما هو المعدل الذي يتم التحكم فيه بالسيليكون (SCR)؟

المعدل الذي يتم التحكم فيه بالسيليكون (SCR) هو جهاز أشباه موصلات طاقة ثلاثي الأطراف يستخدم للتحكم في الجهد العالي والتيار وتبديلهما في الدوائر الكهربائية. إنه عضو في عائلة الثايرستور وله هيكل PNPN من أربع طبقات. على عكس الصمام الثنائي البسيط ، يسمح SCR بالتبديل المتحكم فيه لأنه لا يتم تشغيله إلا عند تطبيق إشارة تشغيل البوابة. يستخدم على نطاق واسع في محولات التيار المتردد / التيار المستمر ، ومحركات المحركات ، وشواحن البطاريات ، والأتمتة الصناعية نظرا لقدرته العالية على التعامل مع الطاقة وكفاءتها.

البناء ورمز SCR

تم بناء المعدل الذي يتم التحكم فيه بالسيليكون (SCR) باستخدام أربع طبقات بديلة من مواد أشباه الموصلات من النوع P و N ، مما يشكل هيكل PNPN بثلاثة تقاطعات: J1 و J2 و J3. لديها ثلاث محطات:

• الأنود (A): متصل بطبقة P الخارجية

• الكاثود (K): متصل بالطبقة الخارجية N

• البوابة (G): متصلة بطبقة P الداخلية وتستخدم للتشغيل

داخليا ، يمكن نمذجة SCR على شكل ترانزستورين مترابطين - أحدهما PNP والآخر NPN - يشكلان حلقة تغذية مرتدة متجددة. يفسر هذا الهيكل الداخلي سلوك الإغلاق ل SCR ، حيث يستمر في الإجراء حتى بعد إزالة إشارة البوابة.

يشبه رمز SCR الصمام الثنائي ولكنه يتضمن طرف بوابة للتحكم. يتدفق التيار من الأنود إلى الكاثود عند تشغيل الجهاز عبر البوابة.

تشغيل SCR

يعمل SCR في ثلاث حالات كهربائية بناء على جهد الأنود والكاثود وإشارة البوابة:

وضع الحجب العكسي

عندما يصبح الأنود سالبا بالنسبة للكاثود ، فإن الوصلتين J1 و J3 منحازة عكسية. فقط تيار تسرب صغير يتدفق يمكن أن يؤدي تجاوز حد الجهد العكسي إلى إتلاف الجهاز.

وضع الحظر الأمامي (حالة إيقاف التشغيل)

مع موجب الأنود وسالبة الكاثود ، تكون الوصلات J1 و J3 منحازة للأمام بينما J2 منحازة عكسية. يظل SCR متوقفا عن العمل في هذه الحالة على الرغم من تطبيق الجهد الأمامي ، مما يمنع تدفق التيار حتى يتم توفير مشغل.

وضع التوصيل الأمامي (حالة التشغيل)

يؤدي تطبيق نبضة البوابة في التحيز الأمامي إلى حقن الناقلات التي تقاطع التحيز الأمامي J2 ، مما يسمح بالتوصيل. بمجرد تشغيله ، يتم تثبيت SCR ويستمر في الإجراء حتى بعد إزالة إشارة البوابة ، طالما ظل التيار فوق تيار التعليق.

خصائص V-I من SCR

تحدد خاصية V-I كيفية استجابة تيار الجهاز للجهد المطبق في مناطق التشغيل المختلفة:

• منطقة الحظر العكسي: الحد الأدنى من تدفقات التيار تحت التحيز العكسي حتى يحدث الانهيار.

• منطقة الحجب الأمامي: يزداد الجهد الأمامي ولكن يظل التيار منخفضا حتى يتم الوصول إلى جهد الكسر الأمامي (VBO).

• منطقة التوصيل الأمامي: بعد تشغيله بواسطة نبضة البوابة ، ينتقل SCR بسرعة إلى حالة تشغيل منخفضة المقاومة مع انخفاض صغير في الجهد الأمامي (1-2 فولت).

تؤدي زيادة تيار البوابة إلى تحويل جهد الكسر الأمامي إلى الانخفاض ، مما يسمح بالتشغيل مبكرا. هذا مفيد في دوائر التيار المتردد التي يتم التحكم فيها بالطور.

خصائص التبديل من SCR

تصف خصائص التبديل سلوك SCR أثناء الانتقالات بين حالات إيقاف التشغيل والتشغيل:

• وقت التشغيل (طن): الوقت اللازم لتحويل SCR بالكامل من OFF إلى ON بعد نبضة البوابة. يتكون من وقت التأخير ووقت الصعود ووقت الانتشار. يضمن التشغيل الأسرع التبديل الفعال في المحولات والمحولات.

• وقت الإيقاف (tq): بعد توقف التوصيل ، يحتاج SCR إلى وقت لاستعادة قدرته على الحجب الأمامي بسبب ناقلات الشحن المخزنة. هذا التأخير مطلوب في التطبيقات عالية التردد ، ودوائر التبديل الخارجية مطلوبة في أنظمة التيار المستمر.

أنواع SCR

تتوفر SCRs في أنماط بناء وفئات أداء مختلفة لتلبية متطلبات تطبيقات الجهد والتيار والتبديل المختلفة. فيما يلي الأنواع الرئيسية لسجلات الانتقام النقي الموضحة دون استخدام تنسيق جدول، كما هو مطلوب.

SCR البلاستيك المنفصل

هذا هو SCR صغير منخفض الطاقة عادة ما يتم تعبئته في أغلفة TO-92 أو TO-126 أو TO-220. إنه اقتصادي وشائع الاستخدام في الدوائر الإلكترونية منخفضة التيار. تعتبر SCRs هذه مثالية لتبديل التيار المتردد البسيط وأنظمة التحكم منخفضة الطاقة ومخفتات الضوء ودوائر شاحن البطاريات.

وحدة بلاستيكية SCR

تم تصميم هذا النوع للتعامل مع التيار المتوسط إلى العالي. إنه محاط بوحدة بلاستيكية مدمجة توفر عزلا كهربائيا وسهولة التركيب. تستخدم SCRs هذه على نطاق واسع في أنظمة UPS ووحدات التحكم في الطاقة الصناعية وآلات اللحام وأجهزة التحكم في سرعة المحرك.

اضغط على حزمة SCR

أجهزة SCR لحزمة الضغط هي أجهزة شديدة التحمل مدمجة في حزمة قوية تشبه القرص المعدني. إنها توفر أداء حراريا ممتازا وقدرة تيار عالية ولا تتطلب لحام. بدلا من ذلك ، يتم تثبيتها بين أحواض الحرارة تحت الضغط ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات عالية الموثوقية مثل المحركات الصناعية وأنظمة الجر ونقل الطاقة HVDC وشبكات الطاقة.

التبديل السريع SCR

تم تصميم SCRs سريعة التبديل ، والتي تسمى أيضا SCRs من فئة العاكس ، للدوائر التي تعمل بترددات أعلى. لديهم وقت إيقاف تشغيل قصير وخسائر تبديل أقل مقارنة ب SCRs القياسية. تستخدم هذه الأجهزة بشكل شائع في المروحيات ومحولات التيار المستمر والتيار المستمر والمحولات عالية التردد وإمدادات الطاقة النبضية.

طرق تشغيل SCR

تشمل الطرق المختلفة لتحفيز انقحام النقع النقي في التوصيل ما يلي:

تشغيل البوابة (الأكثر شيوعا): تعمل نبضة البوابة منخفضة الطاقة على تشغيل SCR بطريقة خاضعة للرقابة. تستخدم في معظم التطبيقات الصناعية.

تشغيل الجهد الأمامي: إذا تجاوز الجهد الأمامي جهد الكسر ، يتم تشغيل SCR بدون نبضة بوابة ، ويتم تجنبه بشكل عام بسبب الضغط على الجهاز.

التحفيز الحراري (غير مرغوب فيه): قد تبدأ درجة الحرارة الزائدة في التوصيل عن غير قصد. يجب تجنب التبريد غير السليم.

تشغيل الضوء (LASCR): تستخدم SCRs الحساسة للضوء الفوتونات لتحفيز التوصيل في تطبيقات عزل الجهد العالي.

تشغيل DV / DT (غير مرغوب فيه): قد يتسبب الارتفاع السريع في الجهد الأمامي في تشغيل عرضي بسبب سعة التوصيل. دوائر Snubber تمنع هذا.

مزايا وقيود SCR

مزايا SCR

• معالجة الطاقة والجهد العالي: SCRs قادرة على التحكم في كميات كبيرة من الطاقة ، غالبا في حدود مئات إلى آلاف الفولت والأمبير ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الصناعية الثقيلة مثل محركات المحركات ونقل HVDC ومحولات الطاقة.

• كفاءة عالية وخسائر توصيل منخفضة: بمجرد تشغيله ، يتم إجراء SCR بانخفاض جهد صغير جدا (عادة 1-2 فولت) ، مما يؤدي إلى تبديد منخفض للطاقة وكفاءة تشغيل عالية.

• متطلبات تيار البوابة الصغيرة: يحتاج الجهاز فقط إلى تيار تشغيل صغير عند طرف البوابة لتشغيله ، مما يسمح لدوائر التحكم البسيطة منخفضة الطاقة بتبديل الأحمال عالية الطاقة.

• بنية متينة وتصميم فعال من حيث التكلفة: SCRs قوية ميكانيكيا ومستقرة حراريا ومصممة لتحمل التيارات المرتفعة. كما أن هيكلها الداخلي البسيط يجعلها غير مكلفة نسبيا مقارنة بمفاتيح أشباه الموصلات الأخرى للطاقة.

• مناسبة للتحكم في طاقة التيار المتردد: نظرا لأن SCRs يتم إيقاف تشغيلها بشكل طبيعي عندما يتجاوز تيار التيار المتردد الصفر (التبديل الطبيعي) ، فهي مثالية لتطبيقات التحكم في طور التيار المتردد مثل مخفتات الضوء ووحدات التحكم في السخان ومنظمات جهد التيار المتردد.

قيود SCR

• التوصيل أحادي الاتجاه: يقوم SCR بتوصيل التيار في الاتجاه الأمامي فقط. لا يمكنه منع التيار العكسي بشكل فعال ما لم يتم استخدامه مع مكونات إضافية مثل الثنائيات ، مما يحد من استخدامه في بعض دوائر التحكم في التيار المتردد.

• لا يمكن إيقاف تشغيله باستخدام طرف البوابة: بينما يمكن تشغيل SCR عبر البوابة ، إلا أنه لا يستجيب لأي إشارة بوابة للانطلاق. يجب أن ينخفض التيار إلى ما دون تيار التثبيت أو يجب استخدام تقنية التبديل القسري في دوائر التيار المستمر.

• يتطلب دوائر تبديل في تطبيقات التيار المستمر: في دوائر التيار المستمر النقية ، لا يحصل SCR على نقطة صفر طبيعية لإيقاف تشغيلها. هناك حاجة إلى دوائر تبديل خارجية ، مما يزيد من تعقيد الدائرة وتكلفتها.

• سرعة تحويل محدودة: SCRs بطيئة نسبيا مقارنة بمفاتيح أشباه الموصلات الحديثة مثل MOSFETs أو IGBTs. هذا يجعلها غير مناسبة لتطبيقات التبديل عالية التردد.

• حساسة لظروف dv / dt العالية والجهد الزائد: يمكن أن يؤدي الارتفاع السريع في الجهد عبر SCR أو الجهد العابر المفرط إلى تشغيل خاطئ ، مما يؤثر على الموثوقية. دوائر Snubber ومكونات الحماية المناسبة مطلوبة لمنع الأخطاء وفشل الجهاز.

تطبيقات SCR

• المقومات الخاضعة للرقابة (محولات التيار المتردد إلى التيار المستمر) - تستخدم في شحن البطارية وإمدادات التيار المستمر المتغيرة.

• وحدات التحكم في جهد التيار المتردد - مخفتات الضوء وأدوات التحكم في سرعة المروحة ومنظمات السخان.

• التحكم في سرعة محرك التيار المستمر - يستخدم في محركات التيار المستمر متغيرة السرعة.

• المحولات والمحولات - لتحويل طاقة التيار المستمر إلى التيار المتردد.

• حماية الجهد الزائد (دوائر المخل) - يحمي مصادر الطاقة من ارتفاع الجهد.

• مفاتيح ثابتة / مرحلات الحالة الصلبة - تبديل سريع دون تآكل ميكانيكي.

• منظمات الطاقة - تستخدم في التسخين التعريفي والأفران الصناعية.

• مشغلات ناعمة للمحركات - تتحكم في تيار التدفق أثناء بدء تشغيل المحرك.

• أنظمة نقل الطاقة - تستخدم في أنظمة HVDC (التيار المباشر عالي الجهد).

مقارنة SCR مقابل GTO

الثايرستور بتحويل البوابة (GTO) هو عضو آخر في عائلة الثايرستور وغالبا ما تتم مقارنته ب SCRs.

اختبار SCR باستخدام مقياس الأومتر

قبل تثبيت SCR في دائرة الطاقة ، من المهم التحقق من أنها صحية كهربائيا. يمكن أن يتسبب SCR الخاطئ في حدوث ماس كهربائي أو فشل النظام بأكمله. يمكن إجراء الاختبار الأساسي باستخدام مقياس رقمي أو تناظري متعدد جنبا إلى جنب مع مصدر تيار مستمر صغير لتشغيل التحقق.

1 اختبار تقاطع البوابة إلى الكاثود

تتحقق هذه مما إذا كان تقاطع البوابة يتصرف مثل الصمام الثنائي.

• اضبط المقياس المتعدد على وضع اختبار الصمام الثنائي

• قم بتوصيل المسبار الموجب (+) بالبوابة (G) والمسبار السالب (-) بالكاثود (K). تظهر القراءة العادية انخفاضا في الجهد الأمامي بين 0.5 فولت و 0.7 فولت

• عكس المجسات (+ إلى K ، - إلى G). يجب أن يظهر العداد OL (حلقة مفتوحة) أو مقاومة عالية جدا

اختبار حجب الأنود إلى الكاثود

هذا يضمن عدم تقصير SCR داخليا.

• احتفظ بالمقياس المتعدد في وضع الصمام الثنائي أو وضع المقاومة

• قم بتوصيل + مسبار بالأنود (A) و - مسبار بالكاثود (K). يجب أن يحجب SCR التيار ويظهر دائرة مفتوحة (بدون توصيل)

• عكس المجسات (+ إلى K ، - إلى A). يجب أن تظل القراءة مفتوحة

اختبار تشغيل SCR (الإغلاق)

هذا يؤكد ما إذا كان بإمكان SCR تشغيله ومزلاقه بشكل صحيح.

• استخدم بطارية 6 فولت أو 9 فولت مع مقاوم 1 كيلو أوم في سلسلة

• قم بتوصيل البطارية + بالأنود (A) والبطارية - بالكاثود (K)

• قم بتوصيل البوابة (G) بالأنود لفترة وجيزة من خلال مقاوم 100-220Ω. يجب تشغيل SCR ومزلاجه ، مما يسمح للتيار بالتدفق حتى بعد إزالة اتصال البوابة.

• لإيقاف تشغيله ، افصل الطاقة - سيتم فك SCR

الخاتمة

يظل المعدل الذي يتم التحكم فيه بالسيليكون مكونا رئيسيا في أنظمة التحكم في الطاقة نظرا لكفاءته وموثوقيته العالية وقدرته على التعامل مع الأحمال الكهربائية الكبيرة. من تنظيم جهد التيار المتردد إلى التحكم في محرك التيار المستمر وأنظمة التحويل الصناعية ، تستمر SCRs في لعب دور حيوي في الهندسة الكهربائية. يساعد الفهم القوي لأساسيات SCR في تصميم دوائر إلكترونية آمنة وفعالة.

الأسئلة المتداولة [FAQ]

ما هو الفرق بين SCR و TRIAC؟

يمكن ل TRIAC توصيل التيار في كلا الاتجاهين ويستخدم في تطبيقات التحكم في التيار المتردد مثل المخفتات ومنظمات المروحة. يقوم SCR بتوصيل التيار في اتجاه واحد فقط ويستخدم بشكل أساسي للتحكم في التيار المستمر أو تصحيحه.

لماذا يحتاج SCR إلى دائرة تبديل؟

في دوائر التيار المستمر ، لا يمكن إيقاف تشغيل SCR باستخدام طرف البوابة وحده. تجبر دائرة التبديل التيار على الانخفاض إلى ما دون تيار الانتظار ، مما يساعد SCR على إيقاف التشغيل بأمان.

ما الذي يسبب فشل SCR؟

عادة ما يحدث فشل SCR بسبب الجهد الزائد ، أو تيار التيار المرتفع ، أو تبديد الحرارة غير الصحيح ، أو التبديل الخاطئ الناجم عن dv / dt. يساعد استخدام دوائر التفريغ والمشتتات الحرارية على منع الفشل.

هل يمكن ل SCR التحكم في طاقة التيار المتردد؟

نعم ، يمكن ل SCRs التحكم في طاقة التيار المتردد باستخدام التحكم في زاوية الطور. من خلال تأخير زاوية إطلاق إشارة البوابة خلال كل دورة تيار متردد ، يمكن ضبط جهد الخرج والطاقة التي يتم توصيلها إلى الحمل.

ما هو تيار التثبيت في SCR؟

الاحتفاظ بالتيار هو الحد الأدنى للتيار المطلوب للحفاظ على SCR في حالة تشغيل. إذا انخفض التيار إلى ما دون هذا المستوى ، يتم إيقاف تشغيل SCR تلقائيا حتى لو تم تشغيله مسبقا.