Redresseur contrôlé au silicium
Redresseur contrôlé au silicium (SCR)
Le redresseur contrôlé au silicium (SCR), également connu sous le nom de thyristor, est un composant électrique de haute puissance. Il présente les avantages d’une petite taille, d’un rendement élevé et d’une longue durée de vie. Dans les systèmes de contrôle automatique, il peut être utilisé comme pilote haute puissance pour contrôler des appareils haute puissance avec des commandes basse consommation. Il a été largement utilisé dans les systèmes de contrôle de vitesse des moteurs AC et DC, les systèmes de régulation de puissance et les systèmes d'asservissement.
Il existe deux types de thyristors : le thyristor unidirectionnel et le thyristor bidirectionnel. Thyristor bidirectionnel, également connu sous le nom de thyristor bidirectionnel à trois bornes, en abrégé TRIAC. Le thyristor bidirectionnel est structurellement équivalent à deux thyristors unidirectionnels connectés en inverse, et ce type de thyristor a une fonction de conduction bidirectionnelle. Son état marche/arrêt est déterminé par le pôle de commande G. L'ajout d'une impulsion positive (ou négative) au pôle de commande G peut le faire conduire dans le sens avant (ou arrière). L'avantage de ce dispositif est que le circuit de commande est simple et qu'il n'y a pas de problème de tenue en tension inverse, il est donc particulièrement adapté à une utilisation comme interrupteur sans contact AC.
1 structure SCR
Nous utilisons des thyristors unidirectionnels, également appelés thyristors ordinaires. Ils sont composés de quatre couches de matériau semi-conducteur, avec trois jonctions PN et trois électrodes externes [Figure 2 (a)] : l'électrode sortie de la première couche de semi-conducteur de type P est appelée anode A, l'électrode sortie du La troisième couche de semi-conducteur de type P est appelée électrode de commande G, et l'électrode sortant de la quatrième couche de semi-conducteur de type N est appelée cathode K. D'après le symbole électronique du thyristor [Fig. 2 (b)], on voit qu'il s'agit d'un dispositif conducteur unidirectionnel comme la diode. La clé est d'ajouter une électrode de commande G, ce qui lui confère des caractéristiques de fonctionnement complètement différentes de celles de la diode.
Le dispositif à quatre couches et trois bornes P1N1P2N2, basé sur un monocristal de silicium comme matériau de base, a débuté en 1957. En raison de ses caractéristiques similaires à celles des thyristors sous vide, il est communément appelé au niveau international thyristors en silicium, abrégé en thyristors T. De plus, parce que les thyristors étaient à l'origine utilisés dans la rectification statique, ils sont également connus sous le nom d'éléments redresseurs contrôlés au silicium, en abrégé thyristor SCR.
En termes de performances, le redresseur contrôlé au silicium a non seulement une conductivité unique, mais a également une contrôlabilité plus précieuse que les composants du redresseur au silicium (communément appelés"silicium mort"). Il n'a que deux états : activé et désactivé.
Le thyristor peut contrôler des équipements électromécaniques de haute puissance avec un courant de niveau milliampère. Si cette puissance est dépassée, le courant moyen autorisé à passer diminuera en raison d'une augmentation significative de la perte de commutation des composants. À ce stade, le courant nominal doit être réduit pour utilisation.
Le thyristor présente de nombreux avantages, tels que le contrôle d'une puissance élevée avec une puissance faible, et le facteur d'amplification de puissance peut atteindre plusieurs centaines de milliers de fois ; Réponse extrêmement rapide, allumage et extinction en quelques microsecondes ; Pas de fonctionnement par contact, pas d'étincelles, pas de bruit ; Haute efficacité, faible coût, etc.
Les thyristors sont principalement classés en termes d'apparence en forme de boulon, en forme de plaque plate et en forme de fond plat.
Structure des composants du thyristor
Quelle que soit l'apparence du thyristor, son noyau est une structure P1N1P2N2 à quatre couches composée de silicium de type P et de silicium de type N. Voir la figure 1. Il comporte trois jonctions PN (J1, J2, J3), avec l'anode A introduite depuis la couche P1 de la structure J1, la cathode K introduite depuis la couche N2 et l'électrode de commande G introduite depuis la couche P2. Il s’agit donc d’un dispositif semi-conducteur à quatre couches et trois bornes.
2 principe de fonctionnement
Éléments structurels
Le thyristor est un élément structurel à quatre couches et trois bornes P1N1P2N2 avec trois jonctions PN. Lors de l'analyse du principe, il peut être considéré comme composé d'un transistor PNP et d'un transistor NPN, et son schéma équivalent est présenté sur la figure de droite. Thyristor bidirectionnel : Le thyristor bidirectionnel est un dispositif redresseur contrôlé au silicium, également connu sous le nom de TRIAC. Cet appareil peut réaliser un contrôle sans contact de l'alimentation CA dans les circuits, contrôlant ainsi des courants importants avec de petits courants. Il présente les avantages d'une absence d'étincelles, d'une action rapide, d'une longue durée de vie, d'une fiabilité élevée et d'une structure de circuit simplifiée. De par son apparence, le thyristor bidirectionnel est très similaire au thyristor ordinaire, avec trois électrodes. Cependant, à l'exception d'une électrode G, qui est encore appelée électrode de commande, les deux autres électrodes ne sont généralement plus appelées anode et cathode, mais collectivement appelées électrodes principales Tl et T2. Son symbole est également différent de celui des thyristors ordinaires, qui est dessiné en inversant la connexion de deux thyristors ensemble, comme le montre la figure 2. Son modèle est généralement représenté par"3CTS"ou"KS"en Chine; Les données étrangères peuvent également être représentées par « TRIAC ». Les spécifications, les modèles, l'apparence et la disposition des broches d'électrode du thyristor bidirectionnel varient en fonction du fabricant, mais la plupart de ses broches d'électrode sont disposées de gauche à droite dans l'ordre T1, T2 et G (lorsqu'elles sont observées, les broches d'électrode sont vers le bas et face au côté marqué des caractères). L'apparence et la disposition des broches d'électrode du thyristor bidirectionnel à structure encapsulée en plastique le plus courant sur le marché sont illustrées à la figure 1.
3 Caractéristiques du RCS
Afin de comprendre intuitivement les caractéristiques de fonctionnement des thyristors, jetons un coup d'œil à ce tableau pédagogique (Figure 3). Le thyristor VS est connecté en série avec la petite ampoule EL et connecté à l'alimentation CC via l'interrupteur S. Notez que l'anode A est connectée au pôle positif de l'alimentation, la cathode K est connectée au pôle négatif de l'alimentation. alimentation, et l'électrode de commande G est connectée au pôle positif de l'alimentation 1,5 V CC via l'interrupteur à bouton SB (ici, des thyristors de type KP1 sont utilisés, et si des thyristors de type KP5 sont utilisés, ils doivent être connectés au pôle positif du Alimentation 3 V CC). La méthode de connexion entre le thyristor et l'alimentation est appelée connexion directe, ce qui signifie que la tension positive est appliquée à la fois à l'anode et aux pôles de commande du thyristor. Allumez l'interrupteur d'alimentation S, mais la petite ampoule ne s'allume pas, indiquant que le thyristor n'est pas conducteur ; Appuyez à nouveau sur l'interrupteur à bouton SB pour entrer une tension de déclenchement sur le pôle de commande. La petite ampoule s'allume, indiquant que le thyristor est passant. Quelle inspiration cette expérience de démonstration nous a-t-elle apportée ?
Cette expérience nous dit que pour rendre le thyristor conducteur, l'une consiste à appliquer une tension directe entre son anode A et sa cathode K, et l'autre consiste à entrer une tension de déclenchement directe entre son électrode de commande G et sa cathode K. Une fois le thyristor tourné Allumé, relâchez l'interrupteur à bouton, supprimez la tension de déclenchement et maintenez toujours l'état de conduction.
4 Caractéristiques du SCR
D'un simple toucher. Cependant, si une tension inverse est appliquée à l'anode ou à l'électrode de commande, le thyristor ne peut pas conduire. La fonction du pôle de commande est d'allumer le thyristor en appliquant une impulsion de déclenchement vers l'avant, mais il ne peut pas être désactivé. Alors, quelle méthode peut-on utiliser pour désactiver le thyristor conducteur ? En coupant le thyristor conducteur, l'alimentation de l'anode (interrupteur S sur la figure 3) peut être déconnectée ou le courant anodique peut être réduit à la valeur minimale requise pour maintenir la continuité (appelée courant de maintien). S'il y a une tension alternative ou une tension continue pulsée appliquée entre l'anode et la cathode du thyristor, le thyristor s'éteindra automatiquement lorsque la tension franchira zéro.
Type de demande
La figure 4 montre la courbe caractéristique du thyristor bidirectionnel.
Comme le montre la figure, la courbe caractéristique du thyristor bidirectionnel est composée de courbes dans les premier et troisième quadrants. La courbe du premier quadrant indique que lorsque la tension appliquée à l'électrode principale fait que Tc ait une polarité positive vers T1, elle est appelée tension directe et représentée par le symbole U21. Lorsque cette tension augmente progressivement jusqu'à la tension de point d'inflexion UBO, le thyristor sur le côté gauche de la figure 3 (b) déclenche la conduction, et le courant à l'état passant à ce moment est I21, circulant de T2 à Tl. Sur la figure, on peut voir que plus le courant de déclenchement est élevé, plus la tension de rotation est faible. Cette situation est cohérente avec la loi de conduction de déclenchement du thyristor ordinaire. Lorsque la tension appliquée à l'électrode principale fait que Tl ait une polarité positive vers T2, on parle de tension inverse et elle est représentée par le symbole U12. Lorsque cette tension atteint la valeur de tension du point d'inflexion, le thyristor du côté droit de la figure 3 (b) déclenche la conduction, et le courant à ce moment est I12, avec une direction de T1 à T2. À ce stade, la courbe caractéristique du thyristor bidirectionnel est représentée dans le troisième quadrant de la figure 4.
Quatre méthodes de déclenchement
Du fait que sur l'électrode principale du thyristor bidirectionnel, il peut être déclenché et conduit indépendamment du fait qu'une tension directe ou inverse soit appliquée, et que le signal de déclenchement soit direct ou inverse, il dispose des quatre méthodes de déclenchement suivantes : ( 1) Lorsque la tension appliquée par l'électrode principale T2 à Tl est une tension directe, la tension appliquée par l'électrode de commande G à la première électrode Tl est également un signal de déclenchement direct (Figure 5a). Une fois que le thyristor bidirectionnel a déclenché la conduction, la direction du courant I2l circule de T2 à T1. D'après la courbe caractéristique, on peut voir que la loi de conduction du déclencheur à thyristor bidirectionnel est réalisée en fonction des caractéristiques du deuxième quadrant, et comme le signal de déclenchement est dans le sens direct, ce déclencheur est appelé le"déclencheur avant du premier quadrant"ou la méthode I+trigger. (2) Si la tension directe est toujours appliquée à l'électrode principale T2 et que le signal de déclenchement est remplacé par un signal inverse (Figure 5b), alors une fois que le thyristor bidirectionnel a déclenché la conduction, la direction du courant à l'état passant est toujours de T2 à T1. Nous appelons ce déclencheur le"déclencheur négatif du premier quadrant"ou la méthode I-trigger. (3) Deux électrodes principales sont appliquées avec une tension inverse U12 (Figure 5c) et un signal de déclenchement direct est entré. Une fois le thyristor bidirectionnel activé, le courant à l'état passant circule de T1 à T2. Le thyristor bidirectionnel fonctionne selon la courbe caractéristique du troisième quadrant, ce déclencheur est donc appelé méthode de déclenchement III+. (4) Les deux électrodes principales appliquent toujours la tension inverse U12 et l'entrée est un signal de déclenchement inverse (Figure 5d). Une fois le thyristor bidirectionnel activé, le courant à l'état passant circule toujours de T1 à T2. Ce déclencheur s'appelle III touch
(4) Les deux électrodes principales appliquent toujours la tension inverse U12 et l'entrée est un signal de déclenchement inverse (Figure 5d). Une fois le thyristor bidirectionnel activé, le courant à l'état passant circule toujours de T1 à T2. Ce déclencheur est appelé méthode de déclenchement III. Bien que le thyristor bidirectionnel dispose des quatre méthodes de déclenchement ci-dessus, la tension et le courant de déclenchement requis pour le déclenchement du signal négatif sont relativement faibles. Le travail est relativement fiable, c'est pourquoi les méthodes de déclenchement négatif sont largement utilisées dans la pratique.
5 Objectif
L'utilisation la plus élémentaire des thyristors ordinaires est le redressement contrôlable. Le circuit redresseur à diode familier appartient à un circuit redresseur incontrôlable. Si la diode est remplacée par un thyristor, un circuit redresseur contrôlable peut être formé. En prenant comme exemple le circuit redresseur contrôlable demi-onde monophasé le plus simple, pendant le demi-cycle positif de la tension alternative sinusoïdale U2, si le pôle de commande de VS n'entre pas l'impulsion de déclenchement Ug, VS ne peut toujours pas conduire. Ce n'est que lorsque U2 est dans l'alternance positive et que l'impulsion de déclenchement Ug est appliquée au pôle de commande que le thyristor est déclenché pour passer. Dessinez ses formes d'onde (c) et (d), et ce n'est que lorsque l'impulsion de déclenchement Ug arrivera qu'il y aura une tension UL en sortie sur la charge RL. Ug arrive tôt et le temps de conduction des thyristors est précoce ; Ug est arrivé en retard et le temps de conduction des thyristors était plus tardif. En modifiant l'heure à laquelle l'impulsion de déclenchement Ug arrive au pôle de commande, la tension de sortie moyenne UL sur la charge peut être ajustée. En technologie électrique, l'alternance du courant alternatif est souvent fixée à 180°, appelé angle électrique. De cette manière, l'angle électrique ressenti pendant chaque demi-cycle positif de U2 depuis zéro jusqu'au moment où l'impulsion de déclenchement arrive est appelé angle de commande α ; l'angle électrique auquel le thyristor conduit au cours de chaque demi-cycle positif est appelé angle de conduction θ. 。 Évidemment, α et θ sont tous deux utilisés pour représenter la plage de conduction ou de blocage des thyristors pendant un demi-cycle de tenue à la tension directe. En modifiant l'angle de contrôle α ou l'angle de conduction θ, en modifiant la valeur moyenne UL de la tension continue d'impulsion sur la charge, une rectification contrôlable est obtenue.
1 : Le redresseur bidirectionnel contrôlé par silicium encapsulé dans du plastique de faible puissance est couramment utilisé comme système d'éclairage acoustooptique. Courant nominal : IA est inférieur à 2 A.
2 : grand ; Les thyristors scellés en plastique et scellés en fer de puissance moyenne sont couramment utilisés comme circuits de régulation de tension contrôlables de type puissance. Comme l'alimentation CC à sortie de tension réglable, etc.
3 : Le thyristor haute fréquence haute puissance est couramment utilisé dans l’industrie ; Four de fusion à haute fréquence, etc.