Silikon Kontrollü Doğrultucu (SCR) - Çalışma, Yapım, Tetikleme Yöntemleri, Türleri ve Uygulamaları

Silikon Kontrollü Doğrultucu (SCR), elektrik ve endüstriyel sistemlerde yüksek voltajı ve akımı kontrol etmek için yaygın olarak kullanılan önemli bir güç yarı iletken cihazıdır. Gücü verimli bir şekilde değiştirme ve düzenleme yeteneği, onu dönüştürücülerde, motor sürücülerinde ve otomasyon devrelerinde kullanışlı kılar. Bu makale SCR'nin yapısını, çalışma prensibini, özelliklerini, türlerini ve pratik uygulamalarını açık ve yapılandırılmış bir şekilde açıklamaktadır.

Silikon Kontrollü Doğrultucu (SCR) nedir?

Silikon Kontrollü Doğrultucu (SCR), elektrik devrelerindeki yüksek voltajı ve akımı kontrol etmek ve anahtarlamak için kullanılan üç terminalli bir güç yarı iletken cihazıdır. Tristör ailesinin bir üyesidir ve dört katmanlı bir PNPN yapısına sahiptir. Basit bir diyottan farklı olarak, bir SCR, yalnızca bir kapı tetikleme sinyali uygulandığında AÇILDIĞI için kontrollü anahtarlamaya izin verir. Yüksek güç işleme kapasitesi ve verimliliği nedeniyle AC/DC dönüştürücülerde, motor sürücülerinde, akü şarj cihazlarında ve endüstriyel otomasyonda yaygın olarak kullanılmaktadır.

SCR'nin Yapısı ve Sembolü

Silikon Kontrollü Doğrultucu (SCR), dört alternatif P tipi ve N tipi yarı iletken malzeme katmanı kullanılarak oluşturulur ve üç bağlantı noktasına sahip bir PNPN yapısı oluşturur: J1, J2 ve J3. Üç terminali vardır:

• Anot (A): Dış P katmanına bağlı

• Katot (K): Dış N katmanına bağlı

• Kapı (G): İç P katmanına bağlanır ve tetikleme için kullanılır

Karşılıklı olarak, bir SCR, rejeneratif bir geri besleme döngüsü oluşturan birbirine bağlı iki transistör (bir PNP ve bir NPN) olarak modellenebilir. Bu iç yapı, SCR'nin kapı sinyali kaldırıldıktan sonra bile iletmeye devam ettiği kilitleme davranışını açıklar.

SCR sembolü bir diyota benzer ancak kontrol için bir kapı terminali içerir. Cihaz kapıdan tetiklendiğinde akım anottan katoda akar.

SCR'nin Çalışması

SCR, anot-katot voltajına ve geçit sinyaline bağlı olarak üç elektrik durumunda çalışır:

Ters Engelleme Modu

Anot katoda göre negatif yapıldığında, J1 ve J3 bağlantıları ters kutupludur. Sadece küçük bir kaçak akım akar. Ters voltaj sınırının aşılması cihaza zarar verebilir.

İleri Engelleme Modu (KAPALI Durum)

Anot pozitif ve katot negatif ile, J1 ve J3 bağlantıları ileri taraflı, J2 ise ters yönlüdür. İleri voltaj uygulansa bile SCR bu durumda KAPALI kalır ve bir tetikleyici sağlanana kadar akım akışını engeller.

İleri İletim Modu (AÇIK Durum)

İleri önyargıda bir kapı darbesi uygulamak, ileriye dönük J2 bağlantısını içeren taşıyıcıları enjekte ederek iletime izin verir. AÇIK olduğunda, SCR kilitlenir ve akım tutma akımının üzerinde kaldığı sürece kapı sinyali kaldırıldıktan sonra bile iletmeye devam eder.

SCR'nin VI Özellikleri

VI karakteristiği, cihaz akımının farklı çalışma bölgelerinde uygulanan voltaja nasıl tepki vereceğini tanımlar:

• Ters Engelleme Bölgesi: Arıza meydana gelene kadar ters öngerilim altında minimum akım akar.

• İleri Engelleme Bölgesi: İleri voltaj artar ancak ileri kesme voltajına (VBO) ulaşılana kadar akım düşük kalır.

• İleri İletim Bölgesi: Bir geçit darbesi ile tetiklendikten sonra, SCR küçük bir ileri voltaj düşüşü (1–2V) ile hızla düşük dirençli AÇIK durumuna geçer.

Artan kapı akımı, ileri kesme voltajını daha düşük kaydırarak daha erken açılmaya izin verir. Bu, faz kontrollü AC devrelerinde kullanışlıdır.

SCR'nin Anahtarlama Özellikleri

Anahtarlama özellikleri, KAPALI ve AÇIK durumları arasındaki geçişler sırasında SCR'nin davranışını tanımlar:

• Açılma Süresi (ton): Bir kapı darbesinden sonra SCR'nin KAPALI'dan AÇIK'a tamamen geçmesi için gereken süre. Gecikme süresi, yükselme süresi ve yayılma süresinden oluşur. Daha hızlı açma, dönüştürücülerde ve invertörlerde verimli anahtarlama sağlar.

• Kapanma Süresi (tq): İletim durduktan sonra, SCR'nin depolanan yük taşıyıcıları nedeniyle ileri engelleme yeteneğini yeniden kazanması için zamana ihtiyacı vardır. Bu gecikme, yüksek frekanslı uygulamalarda talep görmektedir ve DC sistemlerde harici komütasyon devreleri gereklidir.

SCR Türleri

SCR'ler, çeşitli voltaj, akım ve anahtarlama uygulamalarının gereksinimlerini karşılamak için farklı yapı stillerinde ve performans sınıflarında mevcuttur. Aşağıda, istendiği gibi bir tablo formatı kullanılmadan açıklanan başlıca SCR türleri verilmiştir.

Ayrık Plastik SCR

Bu, genellikle TO-92, TO-126 veya TO-220 muhafazalarında paketlenmiş küçük, düşük güçlü bir SCR'dir. Ekonomiktir ve düşük akımlı elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılır. Bu SCR'ler basit AC anahtarlama, düşük güçlü kontrol sistemleri, ışık dimmerleri ve pil şarj devreleri için idealdir.

Plastik Modül SCR

Bu tip orta ila yüksek akım kullanımı için tasarlanmıştır. Elektrik yalıtımı ve kolay montaj sağlayan kompakt bir plastik modül içine yerleştirilmiştir. Bu SCR'ler, UPS sistemlerinde, endüstriyel güç kontrol ünitelerinde, kaynak makinelerinde ve motor hız kontrol cihazlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Basın Paketi SCR

Pres paketi SCR'leri, sağlam metal disk benzeri bir pakette yerleşik ağır hizmet cihazlarıdır. Mükemmel termal performans ve yüksek akım kapasitesi sunarlar ve lehimleme gerektirmezler. Bunun yerine, basınç altında ısı emiciler arasına sıkıştırılırlar ve bu da onları endüstriyel sürücüler, çekiş sistemleri, HVDC güç iletimi ve güç şebekeleri gibi yüksek güvenilirliğe sahip uygulamalar için uygun hale getirir.

Hızlı Anahtarlama SCR

İnverter sınıfı SCR'ler olarak da adlandırılan hızlı anahtarlamalı SCR'ler, daha yüksek frekanslarda çalışan devreler için tasarlanmıştır. Standart SCR'lere kıyasla kısa kapanma süresine ve daha az anahtarlama kayıplarına sahiptirler. Bu cihazlar genellikle kıyıcılarda, DC-DC dönüştürücülerde, yüksek frekanslı invertörlerde ve darbeli güç kaynaklarında kullanılır.

SCR'nin Açma Yöntemleri

Bir SCR'yi iletime tetiklemenin farklı yolları şunları içerir:

Kapı Tetikleme (En Yaygın): Düşük güçlü bir kapı darbesi, SCR'yi kontrollü bir şekilde açar. Çoğu endüstriyel uygulamada kullanılır.

İleri Gerilim Tetikleme: İleri voltaj kesme gerilimini aşarsa, SCR kapı darbesi olmadan AÇILIR, genellikle cihaz üzerindeki stres nedeniyle önlenir.

Termal Tetikleme (İstenmeyen): Aşırı sıcaklık istemeden iletimi başlatabilir; yanlış soğutmadan kaçınılmalıdır.

Işık Tetikleme (LASCR): Işığa duyarlı SCR'ler, yüksek voltaj izolasyon uygulamalarında iletimi tetiklemek için fotonları kullanır.

dv/dt Tetikleme (İstenmeyen): İleri voltajdaki hızlı bir artış, bağlantı kapasitansı nedeniyle kazara açılmaya neden olabilir. Snubber devreleri bunu engeller.

SCR'nin Avantajları ve Sınırlamaları

SCR'nin Avantajları

• Yüksek güç ve voltaj kullanımı: SCR'ler, genellikle yüzlerce ila binlerce volt ve amper aralığında büyük miktarlarda gücü kontrol etme kapasitesine sahiptir ve bu da onları motor sürücüleri, HVDC iletimi ve güç dönüştürücüleri gibi ağır endüstriyel uygulamalar için uygun hale getirir.

• Yüksek verimlilik ve düşük iletim kayıpları: Açıldığında, SCR çok küçük bir voltaj düşüşüyle (tipik olarak 1-2 volt) iletir, bu da düşük güç kaybı ve yüksek çalışma verimliliği sağlar.

• Küçük kapı akımı gereksinimi: Cihazın AÇIK konuma gelmesi için kapı terminalinde yalnızca küçük bir tetikleme akımına ihtiyacı vardır, bu da basit düşük güçlü kontrol devresinin yüksek güçlü yükleri değiştirmesine olanak tanır.

• Sağlam yapı ve uygun maliyetli tasarım: SCR'ler mekanik olarak sağlamdır, termal olarak kararlıdır ve yüksek dalgalanma akımlarına dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Basit iç yapıları aynı zamanda onları diğer güç yarı iletken anahtarlarına kıyasla nispeten ucuz kılar.

• AC güç kontrolü için uygundur: AC akımı sıfırı geçtiğinde (doğal komütasyon) SCR'ler doğal olarak KAPANDIĞINDAN, ışık dimmerleri, ısıtıcı kontrolörleri ve AC voltaj regülatörleri gibi AC faz kontrol uygulamaları için idealdir.

SCR'nin Sınırlamaları

• Tek yönlü iletim: Bir SCR, akımı yalnızca ileri yönde iletir. Diyotlar gibi ek bileşenlerle kullanılmadığı sürece ters akımı etkili bir şekilde bloke edemez, bu da bazı AC kontrol devrelerinde kullanımını sınırlar.

• Kapı terminali kullanılarak kapatılamaz: SCR, kapı aracılığıyla AÇIK olarak tetiklenebilirken, kapatma için herhangi bir kapı sinyaline yanıt vermez. Akım, tutma akımının altına düşmeli veya DC devrelerinde zorunlu bir komütasyon tekniği kullanılmalıdır.

• DC uygulamalarında komütasyon devreleri gerektirir: Saf DC devrelerinde, SCR KAPATMAK için doğal akım sıfır noktası almaz. Devre karmaşıklığını ve maliyetini artıran harici komütasyon devrelerine ihtiyaç vardır.

• Sınırlı anahtarlama hızı: SCR'ler, MOSFET'ler veya IGBT'ler gibi modern yarı iletken anahtarlarla karşılaştırıldığında nispeten yavaştır. Bu, onları yüksek frekanslı anahtarlama uygulamaları için uygunsuz hale getirir.

• Yüksek dv/dt ve aşırı gerilim koşullarına duyarlı: SCR boyunca voltajda hızlı bir artış veya aşırı geçici voltaj, yanlış açmayı tetikleyerek güvenilirliği etkileyebilir. Teklemeyi ve cihaz arızasını önlemek için durdurucu devreler ve uygun koruyucu bileşenler gereklidir.

SCR Uygulamaları

• Kontrollü Redresörler (AC'den DC'ye dönüştürücüler) – Akü şarjında ve değişken DC kaynaklarında kullanılır.

• AC Voltaj Kontrol Cihazları – Işık dimmerleri, fan hızı kontrolleri ve ısıtıcı regülatörleri.

• DC Motor Hız Kontrolü – Değişken hızlı DC sürücülerde kullanılır.

• İnvertörler ve Dönüştürücüler – DC'den AC'ye güç dönüşümü için.

• Aşırı Gerilim Koruması (Levye Devreleri) – Güç kaynaklarını volümlerden korurtage dalgalanmalar.

• Statik Anahtarlar / Katı Hal Röleleri – Mekanik aşınma olmadan hızlı anahtarlama.

• Güç Regülatörleri – İndüksiyonlu ısıtma ve endüstriyel fırınlarda kullanılır.

• Motorlar için Yumuşak Yolvericiler – Motorun çalıştırılması sırasında ani akımı kontrol eder.

• Güç İletim Sistemleri – HVDC (Yüksek Gerilim Doğru Akım) sistemlerinde kullanılır.

SCR ve GTO Karşılaştırması

Bir Kapı Kapatma Tristörü (GTO), tristör ailesinin başka bir üyesidir ve genellikle SCR'lerle karşılaştırılır.

SCR'yi Ohmmetre ile Test Etme

Bir güç devresine bir SCR kurmadan önce, elektriksel olarak sağlıklı olduğunu doğrulamak önemlidir. Arızalı bir SCR, kısa devrelere veya tüm sistemin arızalanmasına neden olabilir. Temel testler, doğrulamayı tetiklemek için küçük bir DC kaynağı ile birlikte bir dijital veya analog multimetre kullanılarak yapılabilir.

1 Kapıdan Katoda Bağlantı Testi

Bunlar, kapı bağlantısının bir diyot gibi davranıp davranmadığını kontrol eder.

• Multimetreyi diyot test moduna ayarlayın

• Pozitif (+) probu Kapıya (G) ve negatif (–) probu Katoda (K) bağlayın. Normal bir okuma, 0.5V ile 0.7V arasında bir ileri voltaj düşüşü gösterir

• Probları ters çevirin (+'dan K'ye, – G'ye). Sayaç OL (açık döngü) veya çok yüksek direnç göstermelidir

Anot-Katot Engelleme Testi

Bu, SCR'nin dahili olarak kısa devre yapmamasını sağlar.

• Multimetreyi diyot modunda veya direnç modunda tutun

• + probu Anot'a (A) ve – probu Katot'a (K) bağlayın. SCR akımı bloke etmeli ve açık devre göstermelidir (iletim yok)

• Probları ters çevirin (+'dan K'ye, – A'ya). Okuma hala açık devre olmalıdır

SCR Tetikleme (Kilitleme) Testi

Bu, SCR'nin açılıp açılamayacağını ve düzgün bir şekilde kilitlenip kilitlenemeyeceğini doğrular.

• Seri olarak 6kΩ dirençli 9V veya 1V pil kullanın

• Pili + Anot'a (A) ve pili Katoda (K) bağlayın

• Kapıyı (G) 100–220Ω'luk bir dirençle Anot'a kısaca bağlayın. SCR, kapı bağlantısını çıkardıktan sonra bile akımın akmasına izin verecek şekilde AÇIK konuma gelmeli ve kilitlenmelidir.

• KAPATMAK için gücü kesin—SCR mandalı açacaktır

Sonuç

Silikon Kontrollü Doğrultucu, verimliliği, yüksek güvenilirliği ve büyük elektrik yüklerini kaldırabilme yeteneği nedeniyle güç kontrol sistemlerinde önemli bir bileşen olmaya devam ediyor. AC voltaj regülasyonundan DC motor kontrolüne ve endüstriyel dönüşüm sistemlerine kadar SCR'ler elektrik mühendisliğinde hayati bir rol oynamaya devam ediyor. SCR temellerinin sağlam bir şekilde kavranması, güvenli ve verimli güç elektroniği devrelerinin tasarlanmasına yardımcı olur.

Sıkça Sorulan Sorular (SSS]

SCR ve TRIAC arasındaki fark nedir?

Bir TRIAC, akımı her iki yönde de iletebilir ve dimmerler ve fan regülatörleri gibi AC kontrol uygulamalarında kullanılır. Bir SCR, akımı yalnızca bir yönde iletir ve esas olarak DC kontrolü veya düzeltmesi için kullanılır.

Bir SCR neden bir komütasyon devresine ihtiyaç duyar?

DC devrelerinde, bir SCR yalnızca kapı terminalini kullanarak KAPANAMAZ. Bir komütasyon devresi, akımı tutma akımının altına düşmeye zorlayarak SCR'nin güvenli bir şekilde KAPANMASINA yardımcı olur.

Bir SCR'nin başarısız olmasına ne sebep olur?

SCR arızasına genellikle aşırı gerilim, yüksek dalgalanma akımı, uygun olmayan ısı dağılımı veya dv/dt ile tetiklenen yanlış anahtarlama neden olur. Sönümleyici devrelerin ve ısı emicilerin kullanılması arızanın önlenmesine yardımcı olur.

Bir SCR AC gücünü kontrol edebilir mi?

Evet, SCR'ler faz açısı kontrolünü kullanarak AC gücünü kontrol edebilir. Her AC döngüsü sırasında kapı sinyalinin ateşleme açısını geciktirerek, yüke iletilen çıkış voltajı ve güç ayarlanabilir.

Bir SCR'de tutma akımı nedir?

Tutma akımı, SCR'yi AÇIK durumda tutmak için gereken minimum akımdır. Akım bu seviyenin altına düşerse, SCR daha önce tetiklenmiş olsa bile otomatik olarak KAPANIR.