Δομή και γενικά χαρακτηριστικά

Ο ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου ή θυρίστορ (Silicon Controlled Rectifier or thyristor, SCR) είναι και αυτός μια διάταξη τεσσάρων στρωμάτων. Έχει την ίδια βασική δομή με τη δίοδο Ρ-Ν-Ρ-Ν, μόνο που έχει προστεθεί ένα τρίτο ηλεκτρόδιο η πύλη (gate), το οποίο έχει συνδεθεί με το ενδιάμεσο στρώμα ημιαγωγού τύπου Ρ (βλ. σχήμα) με αποτέλεσμα ο ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου να έχει τρια ηλεκτρόδια, την άνοδο (Α), την κάθοδο (Κ) και την πύλη (G).

Ονομάζεται ελεγχόμενος ανορθωτής διότι στην ανάστροφη πόλωση συμπεριφέρεται όπως μια κοινή δίοδος ενώ στην ορθή πόλωση είναι δυνατός ο καθορισμός και έλεγχος της τάσης σκανδαλισμού από το ρεύμα πύλης. Η εξάρτηση της τάσης σκανδαλισμού από το ρεύμα πύλης φανεται στο ακόλουθο σχήμα.

Βασικό χαρακτηριστικό της διάταξης είναι ότι όταν το ρεύμα της πύλης είναι μηδέν τότε το SCR συμπεριφέρεται ως δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν. Όταν διαβιβαστεί ένα θετικό ρεύμα μέσα από την πύλη τότε η τάση σκανδαλισμού ελαττώνεται και η ελάττωση είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα. Για μεγάλες τιμές του ρεύματος πύλης (Ι_G3 στο σχήμα) η τάση σκανδαλισμού είναι τόσο μικρή ώστε το SCR να παρουσιάζει μια χαρακτριστική ρεύματος-τάσης όμοια με αυτή των διόδων. Αντίθετα, για αρνητικές τιμές του ρεύματος πύλης η τάση σκανδαλισμού αυξάνει. Σε ένα SCR η τάση συγκράτησης και το ρεύμα συγκράτησης δεν εξαρτώνται από το ρεύμα πύλης.

Αρχή λειτουργίας

Η ερμηνεία της λειτουργίας του SCR βασίζεται στη συμπεριφορά της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν. Όπως προαναφέρθηκε, το SCR είναι μια διάταξη τεσσσρων στρωμάτων, όπως η δίοδος διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν, στην οποία έχει προστεθεί μια επαφή στο ενδιάμεσο Ρ-τύπου στρώμα. Το ισοδύναμο κύκλωμα παρουσιάζεται στα ακόλουθα σχήματα.

Έτσι, όταν το ρεύμα της πύλης είναι μηδέν τότε η λειτουργία του SCR είναι ίδια με αυτή της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν, δηλαδή βασίζεται στα ρεύματα κόρου (ανάστροφης πόλωσης) και τη μεταβολή των χαρακτηριστικών των τρανζίστορ του ισοδύναμου κυκλώματος. Επειδή μεταξύ πύλης και καθόδου σχηματίζεται μια απλή δίοδος, αρκεί να εφαρμοστεί μια τάση 0,7V για να αρχίσει να άγει το τρανζίστορ Q₂ και κατά συνέπεια και το Q₁ , δηλαδή το SCR.

Η παρουσία της πύλης παρέχει τη δυνατότητα διοχέτευσης ρεύματος στο τρανζίστορ Q₂ του ισοδυνάμου κυκλώματος. Έτσι, αν διοχετευθεί ρεύμα I_G όταν το SCR βρίσκεται σε κατάσταση OFF τότε είναι δυνατή η έναρξη της διαδικασίας μανδάλωσης. Στην κατάσταση OFF το ρεύμα I_G προστίθεται στο ρεύμα του συλλέκτη του τρανζίστορ Q₁ το οποίο είναι το ρεύμα κόρου της διόδου του συλλέκτη. Το άθροισμα των δυο ρευμάτων δίδουν το ρεύμα βάσης του Q₂. Συνεπώς το μέτρο του I_G θα καθορίσει την τάση στην οποία τα χαρακτηριστικά των τρανζίστορ είναι τέτοια ώστε να ξεκινήσει η διαδικασία μανδάλωσης. Είναι προφανές ότι η τιμή της νέας τάσης σκανδαλισμού θα είναι μικρότερη από εκείνη, η οποία αντιστοιχεί σε μηδενικό ρεύμα πύλης. Όταν το ρεύμα της πύλης είναι πολύ μεγάλο το Q₁ άγει “συνεχώς” με αποτέλεσμα η τάση σκανδαλισμού να είναι πάρα πολύ μικρή και το SCR να βρίσκεται σε κατάσταση ΟΝ για πολύ μικρές τάσεις. Εάν το SCR έχει μεταβεί σε κατάσταση ΟΝ, παραμένει σ’ αυτήν ακόμα και αν μηδενιστεί το ρεύμα της πύλης.

Όταν το ρεύμα πύλης είναι αρνητικό, το συνολικό ρεύμα βάσης του Q₂ θα μειωθεί με αποτέλεσμα να απαιτηθεί μεγαλύτερη τάση στα άκρα του SCR για να ικανοποιηθούν οι συνθήκες οι οποίες θα οδηγήσουν τη διάταξη σε κατάσταση μανδάλωσης. Η εφαρμογή αρνητικού ρεύματος στην πύλη αποτελεί μέθοδο εξαναγκασμένης μετάβασης ενός SCR από την κατάσταση ΟΝ σε κατάσταση OFF.

Για να διοχετευθεί ένα ρεύμα στην πύλη ενός SCR απαιτείται η χρησιμοποίηση πηγής τάσης και αντίστασης περιορισμού του ρεύματος πύλης, αφού μεταξύ πύλης και καθόδου υπάρχει δίοδος, η οποία πολώνεται ορθά. Ένα τυπικό κύκλωμα πόλωσης SCR παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα.

Οι αντιστάσεις R_G και R_C περιορίζουν το ρεύμα πύλης και SCR. Έτσι η τάση εισόδου για να επιτευχθεί η μανδάλωση του SCR υπολογίζεται από την σχέση: V_i=V_T+I_T·R_G όπου V_T είναι η τάση σκανδαλισμού (trigger voltage) και I_T είναι το ρεύμα σκανδαλισμού (trigger current) του SCR. Τα στοιχεία αυτά παρέχονται στα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών. Στο παραπάνω κύκλωμα του σχήματος το SCR θα μεταβεί στην κατάσταση OFF μόνο όταν η τάση της πηγής ελαττωθεί τόσο ώστε το ρεύμα, το οποίο διαρέει το SCR γίνει μικρότερο του I_H ή μηδενιστεί η τάση της πηγής.

Εφαρμογές για τον έλεγχο της ισχύος με SCR

Υπάρχει ένας σημαντικός αριθμός εφαρμογών, οι οποίες απαιτούν τον έλεγχο του ρεύματος που διαρρέει ένα κύκλωμα. Ο αποδοτηκότερος και οινομικότερος τρόπος ελέγχου του ρεύματος, το οποίο τροφοδοτεί ένα φορτίο, είναι με τη χρήση των SCR και των TRIAC (το TRIAC θα το παρουσιάσουμε σε άλλο άρθρο)

Αν στην άνοδο ενός SCR εφαρμοστεί μια ημιτονική τάση, η διάταξη μπορεί να μεταβεί στην κατάσταση ΟΝ μόνο σε καθε θετική ημιπερίοδο. Η μετάβαση στην κατάσταση OFF θα γίνεται στο τέλος της συγκεκριμένης ημιπεριόδου. Στην αρνητική ημιπερίοδο το SCR δεν θα λειτουργεί.

Στο σχήμα παρουσιάζεται το κύκλωμα ελέγχου ισχύος με ένα SCR. Το κύκλωμα αποτελείται από το SCR, την αντίσταση φορτίου R_L, το κύκλωμα ελέγχου και τη διάταξη διακόπτη, η οποία μπορεί να είναι μια δίοδος Ρ-Ν-Ρ-Ν ή μια δίοδος DIAC. Το κύκλωμα ελέγχου τροφοδοτεί με παλμούς, οι οποίοι μεταφέρονται στην πύλη του SCR όταν υπερβούν την τάση διάσπασης της διόδου Ρ-Ν-Ρ-Ν ή της διόδου DIAC. Όταν μεταφερθεί ένας παλμός στην πύλη και το SCR μεταβεί στην κατάσταση ΟΝ, τότε η τάση στα άκρα του SCR θα μηδενιστεί και θα διέρχεται ρεύμα I_L μέσα από την R_L.

Το SCR μεταβαίνει στην κατάσταση ΟΝ, δηλαδή άγει, μόνο στη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου. Στη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου δεν άγει, άρα είναι σε κατάσταση OFF. Αν ο παλμός σκανδαλισμού εφαρμοστεί στη χρονική στιγμή, που αντιστοιχεί σε γωνία φ, το SCR μεταβαίνει στην κατάσταση ΟΝ και η τάση και το ρεύμα στα άκρα του φόρτου αυξάνονται αμέσως ενώ η τάση στα άκρα του SCR μηδενίζεται. Το SCR μεταβαίνει στην κατάσταση OFF στο τέλος της ημιπεριόδου και το ρεύμα και η τάση στα άκρα του φόρτου μηδενίζονται έως ότου, στη διάρκεια μιας θετικής ημιπεριόδου, εφαρμοστεί στην πύλη του SCR ένας παλμός σκανδαλισμού.

Σε ότι αφορά τον έλεγχο του ρεύματος φόρτου, επειδή στο SCR το ρεύμα έχει συγκεκριμένη φορά, μόνο η μέση τιμή του ρεύματος θα καθορίζεται από τη γωνία σκανδαλισμού φ. Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία φ τόσο πιο μικρή θα είναι η μέση τιμή του ρεύματος, διότι το SCR θα άγει (ΟΝ) επί λιγότερο χρόνο.

Το κύκλωμα με το SCR μειονεκτεί σε ότι αφορά την απόδοση διότι μπορεί να λειτουργήσει μόνο στο 50% μιας περιόδου. Στην περίπτωση κατά την οποία πρέπει να λειτουργεί σε όλη τη διάρκεια της περιόδου χρησιμοποιείται το κύκλωμα του ακόλουθου σχήματος ή ένα TRIAC, το οποίο θα παρουσιάσουμε σε επόμενο άρθρο.

Στο σχήμα χρησιμοποιείται μια γέφυρα ανόρθωσης με “φόρτο” το σύστημα: SCR, αντίσταση φόρτου και κύκλωμα ελέγχου. Με αυτό το κύκλωμα στο SCR εφαρμόζεται η πλήρως ανορθωμένη τάση, η οποία σύμφωνα με το σχήμα έχει μόνο θετικές τιμές. Αυτό δίνει στο κύκλωμα τη δυνατότητα να λειτουργεί στο 100% της περιόδου.