실리콘 제어 정류기(SCR)

Shockley 다이오드 및 실리콘 제어 정류기(SCR)

Shockley 다이오드는 흥미로운 장치이지만 응용 분야가 제한적입니다. 그러나 다른 래칭 수단을 장착하여 그 유용성을 확장할 수 있습니다. 그렇게 하면 각각이 진정한 증폭 장치가 되며(켜기/끄기 모드에서만) 이를 실리콘 제어 정류기 또는 SCR이라고 합니다.

Shockley 다이오드에서 SCR로의 발전은 실제로 기존 PNPN 구조에 대한 세 번째 와이어 연결에 불과한 작은 추가로 달성됩니다. (아래 그림)

실리콘 제어 정류기(SCR)

SCR 전도

SCR의 게이트가 플로팅(연결이 끊어진) 상태로 남아 있으면 정확히 Shockley 다이오드처럼 작동합니다. 쇼클리 다이오드와 마찬가지로 브레이크오버 전압이나 양극과 음극 사이의 임계 전압 상승률을 초과하여 래치될 수 있습니다. 드롭아웃은 하나 또는 두 개의 내부 트랜지스터가 쇼클리 다이오드와 마찬가지로 차단 모드로 떨어질 때까지 전류를 줄임으로써 달성됩니다. 그러나 게이트 단자는 하부 트랜지스터의 베이스에 직접 연결되기 때문에 SCR을 래치하는 대체 수단으로 사용할 수 있습니다. 게이트와 캐소드 사이에 작은 전압을 가하면 결과적인 베이스 전류에 의해 하부 트랜지스터가 강제로 켜지고, 이는 상부 트랜지스터가 전도되도록 하고, 그러면 하부 트랜지스터의 베이스에 전류를 공급하여 더 이상 활성화될 필요가 없습니다. 게이트 전압에 의해 물론 래치업을 시작하는 데 필요한 게이트 전류는 SCR을 통해 캐소드에서 애노드로 흐르는 전류보다 훨씬 낮으므로 SCR은 어느 정도 증폭됩니다.

트리거/발사

SCR 전도를 확보하는 이 방법을 트리거링 또는 발사라고 하며 실제로 SCR이 래치되는 가장 일반적인 방법입니다. 사실, SCR은 일반적으로 차단 전압이 전원에서 경험할 것으로 예상되는 최대 전압을 훨씬 넘어서도록 선택되어 게이트에 인가된 의도적인 전압 펄스에 의해서만 켤 수 있습니다.

역 트리거링

SCR은 때때로 게이트와 음극 단자를 직접 단락하거나 음의 전압(음극을 기준으로)으로 게이트를 "역 트리거"하여 꺼질 수 있으므로 하위 트랜지스터가 강제로 끊다. 나는 이것이 "가끔" 가능하다고 말합니다. 왜냐하면 그것이 하부 트랜지스터의 베이스를 지나는 모든 상부 트랜지스터의 컬렉터 전류를 션트하는 것을 포함하기 때문입니다. 이 전류는 상당할 수 있으므로 SCR의 트리거된 차단을 기껏해야 어렵게 만듭니다. Gate-Turn-Off 사이리스터(GTO)라고 하는 SCR의 변형을 사용하면 이 작업을 더 쉽게 수행할 수 있습니다. 그러나 GTO를 사용하더라도 이를 끄는 데 필요한 게이트 전류는 양극(부하) 전류의 20%에 달할 수 있습니다! GTO의 회로도 기호는 다음 그림에 나와 있습니다. (아래 그림)

게이트 턴오프 사이리스터(GTO)

SCR 대 GTO

SCR과 GTO는 동일한 등가 회로도(양의 피드백 방식으로 연결된 두 개의 트랜지스터)를 공유하지만, 유일한 차이점은 NPN 트랜지스터에 PNP보다 더 큰 β를 부여하도록 설계된 구성의 세부 사항뿐입니다. 이것은 더 작은 게이트 전류(순방향 또는 역방향)가 음극에서 양극으로의 전도에 대해 더 큰 제어를 발휘할 수 있도록 하며, PNP 트랜지스터 래치 상태는 그 반대의 경우보다 NPN에 더 의존적입니다. Gate-Turn-Off 사이리스터는 GCS(Gate-Controlled Switch)라는 이름으로도 알려져 있습니다.

저항계로 SCR 기능 테스트

저항계를 사용하여 SCR 기능의 기본 테스트 또는 최소한 터미널 식별을 수행할 수 있습니다. 게이트와 음극 사이의 내부 연결은 단일 PN 접합이므로 미터는 게이트의 빨간색 테스트 리드와 음극의 검은색 테스트 리드를 사용하여 이러한 단자 사이의 연속성을 표시해야 합니다. (아래 그림)

SCR의 기초 테스트

SCR에서 수행된 다른 모든 연속성 측정은 "개방"(일부 디지털 멀티미터 디스플레이의 경우 "OL")으로 표시됩니다. 이 테스트는 매우 조잡하며 SCR에 대한 포괄적인 평가를 구성하지 않는다는 점을 이해해야 합니다. SCR이 양호한 저항계 표시를 제공하지만 여전히 결함이 있을 수 있습니다. 궁극적으로 SCR을 테스트하는 유일한 방법은 부하 전류를 받는 것입니다.

"다이오드 검사" 기능이 있는 멀티미터를 사용하는 경우 표시되는 게이트-캐소드 접합 전압 표시는 실리콘 PN 접합(약 0.7볼트)에 대해 예상되는 것과 일치하거나 일치하지 않을 수 있습니다. 어떤 경우에는 훨씬 더 낮은 접합 전압(100분의 1볼트에 불과함)을 읽을 수 있습니다. 이는 일부 SCR 내에 통합된 게이트와 음극 사이에 연결된 내부 저항으로 인한 것입니다. 이 저항은 SCR이 회로 "노이즈" 또는 정전기 방전으로 인한 스퓨리어스 전압 스파이크에 의한 잘못된 트리거링에 덜 취약하도록 추가되었습니다. 다시 말해, 게이트-음극 접합에 저항을 연결하려면 SCR을 래치하기 위해 강력한 트리거 신호(상당한 전류)를 인가해야 합니다. 이 기능은 종종 작은 SCR이 아닌 더 큰 SCR에서 발견됩니다. 게이트와 음극 사이에 내부 저항이 연결된 SCR은 두 터미널 사이의 양방향 연속성을 나타냅니다. (아래 그림)

더 큰 SCR에는 게이트-캐소드 저항이 있습니다.

민감한 게이트 SCR

이 내부 저항이 없는 "정상" SCR은 가장 작은 양의 게이트 신호에 의해 트리거될 수 있는 능력 때문에 민감한 게이트 SCR이라고도 합니다.

SCR에 대한 테스트 회로는 의심되는 SCR을 확인하기 위한 진단 도구로 실용적일 뿐만 아니라 기본 SCR 작동을 이해하는 데 탁월한 도움이 됩니다. DC 전압 소스는 회로에 전원을 공급하는 데 사용되며 2개의 푸시 버튼 스위치는 SCR을 각각 래치 및 래치 해제하는 데 사용됩니다(아래 그림)

SCR 테스트 회로

일반적으로 열린 "켜짐" 푸시버튼 스위치를 작동하면 게이트가 양극에 연결되어 배터리의 양극 단자에서 부하 저항을 통해 스위치를 통해 음극 게이트 PN 접합을 통해 다시 배터리로 전류가 흐르게 됩니다. 이 게이트 전류는 SCR을 강제로 래치하여 게이트를 통해 더 이상 트리거하지 않고도 전류가 양극에서 음극으로 직접 갈 수 있도록 해야 합니다. "켜짐" 푸시 버튼을 놓으면 부하가 계속 켜져 있어야 합니다.

일반적으로 닫혀 있는 "꺼짐" 푸시 버튼 스위치를 누르면 회로가 끊어져 SCR을 통한 전류가 강제로 중지되어 강제로 꺼집니다(저전류 드롭아웃).

유지 전류

SCR이 래치에 실패하면 SCR이 아니라 부하에 문제가 있을 수 있습니다. 래치된 SCR을 "켜짐" 상태로 유지하려면 특정 최소 부하 전류가 필요합니다. 이 최소 전류 레벨을 유지 전류라고 합니다. 저항 값이 너무 큰 부하는 게이트 전류가 중단될 때 SCR 래치를 유지하기에 충분한 전류를 소비하지 않을 수 있으므로 테스트 회로에서 불량(래치할 수 없는) SCR의 잘못된 인상을 줄 수 있습니다. 다른 SCR에 대한 유지 전류 값은 제조업체에서 구할 수 있어야 합니다. 일반적인 유지 전류 값의 범위는 1밀리암페어에서 50밀리암페어 또는 더 큰 장치의 경우 그 이상입니다.

테스트가 완전히 포괄적이려면 트리거 작업 이상을 테스트해야 합니다. SCR의 순방향 브레이크오버 전압 제한은 SCR이 자체적으로 래치될 때까지 DC 전압 공급(푸시 버튼 스위치가 작동되지 않음)을 증가시켜 테스트할 수 있습니다. 브레이크오버 테스트에는 매우 높은 전압이 필요할 수 있습니다. 많은 전력 SCR의 정격 브레이크오버 전압은 600볼트 이상입니다! 또한 펄스 전압 발생기를 사용할 수 있는 경우 SCR에 대한 임계 전압 상승 속도를 동일한 방식으로 테스트할 수 있습니다. 즉, 푸시 버튼 스위치가 작동되지 않은 상태에서 서로 다른 V/시간 속도의 펄스 공급 전압을 적용하고 언제 래치되는지 확인합니다.

이 간단한 형태에서 SCR 테스트 회로는 DC 모터, 램프 또는 기타 실제 부하에 대한 시작/정지 제어 회로로 충분할 수 있습니다. (아래 그림)

DC 모터 시작/정지 제어 회로

"지렛대" 회로

DC 회로에서 SCR의 또 다른 실용적인 용도는 과전압 보호를 위한 지렛대 장치입니다. "crowbar" 회로는 DC 전원 공급 장치의 출력과 병렬로 배치된 SCR로 구성되어 과도한 전압이 부하에 도달하는 것을 방지하기 위해 해당 공급 장치의 출력에 직접 단락을 배치합니다. SCR 및 전원 공급 장치의 손상은 단락 전류를 제한하기 위해 SCR 앞에 퓨즈 또는 상당한 직렬 저항을 적절하게 배치함으로써 방지됩니다. (아래 그림)

DC 전원 공급 장치에 사용되는 지렛대 회로

출력 전압을 감지하는 일부 장치 또는 회로는 SCR의 게이트에 연결되어 과전압 상태가 발생하면 게이트와 음극 사이에 전압이 인가되어 SCR을 트리거하고 퓨즈가 강제로 끊어집니다. 효과는 전원 공급 장치의 출력 단자에 직접 강철 지렛대를 떨어뜨리는 것과 거의 같으므로 회로 이름이 지정됩니다.

SCR이 본질적으로 DC(단방향) 장치라는 사실에도 불구하고 SCR의 대부분의 응용 프로그램은 AC 전원 제어용입니다. 양방향 회로 전류가 필요한 경우 AC 파의 두 반주기를 통해 전류를 처리하기 위해 하나 이상이 각 방향을 향하도록 여러 SCR을 사용할 수 있습니다. SCR이 AC 전원 제어 애플리케이션에 사용되는 주된 이유는 교류에 대한 사이리스터의 고유한 응답 때문입니다. 우리가 보았듯이, 사이라트론관(SCR의 전자관 버전)과 AC 반주기의 일부 동안 촉발된 히스테리시스 장치인 DIAC는 AC 반주기의 나머지 부분에 걸쳐 래치되고 유지됩니다. 전류는 다음 반주기를 시작해야 하므로 0으로 감소합니다. 전류 파형의 제로 크로스오버 지점 직전에 사이리스터는 전류 부족으로 인해 꺼지며(이 동작을 자연 정류라고도 함) 다음 주기 동안 다시 작동해야 합니다. 결과는 "잘라낸" 사인파와 동일한 회로 전류입니다. 검토를 위해 다음은 피크가 DIAC의 브레이크오버 전압을 초과하는 AC 전압에 대한 DIAC의 응답 그래프입니다. (아래 그림)

DIAC 양방향 응답

DIAC의 경우 해당 브레이크오버 전압 제한은 고정된 양이었습니다. SCR을 사용하면 파형을 따라 어느 시점에서든 게이트를 트리거하여 장치가 래치되는 시기를 정확히 제어할 수 있습니다. 적절한 제어 회로를 SCR의 게이트에 연결하면 부하에 대한 시간 비례 전력 제어를 허용하기 위해 어느 지점에서든 사인파를 "잘라낼" 수 있습니다.

아래 그림의 회로를 예로 들어 보겠습니다. 여기에서 SCR은 AC 소스에서 부하로의 전원을 제어하는 ​​회로에 위치합니다.

AC 전원의 SCR 제어

단방향(단방향) 장치이기 때문에 공급 전압 극성이 위쪽이 양수이고 아래쪽이 음인 AC의 반주기에서 기껏해야 반파장 전력을 부하에 전달할 수 있습니다. 그러나 시간 비례 제어의 기본 개념을 설명하기 위해 이 간단한 회로가 전파 전력을 제어하는 ​​하나(2개의 SCR이 필요함)보다 낫습니다.

게이트에 대한 트리거링이 없고 AC 소스 전압이 SCR의 차단 전압 정격보다 훨씬 낮으면 SCR이 켜지지 않습니다. 표준 정류 다이오드를 통해 SCR 게이트를 양극에 연결하면(내장된 게이트 음극 저항을 포함하는 SCR의 경우 게이트를 통한 역전류를 방지하기 위해) SCR이 시작 시 거의 즉시 트리거될 수 있습니다. 모든 양의 반주기:(아래 그림)

다이오드를 통해 양극에 직접 연결된 게이트; 부하를 통해 거의 완전한 반파 전류.

SCR 트리거 지연

그러나 게이트 회로에 약간의 저항을 삽입하여 SCR의 트리거링을 지연시킬 수 있으므로 충분한 게이트 전류가 SCR을 트리거하기 전에 필요한 전압 강하의 양을 증가시킵니다. 다시 말해서, 저항을 추가하여 전류가 게이트를 통해 흐르는 것을 더 어렵게 만들면 SCR을 켜기에 충분한 게이트 전류가 되기 전에 AC 전압이 사이클의 더 높은 지점에 도달해야 합니다. 결과는 아래 그림과 같습니다.

게이트 회로에 삽입된 저항; 부하를 통한 반파 전류 미만.

SCR의 지연된 트리거링으로 인해 반 사인파가 더 크게 절단되면 부하는 더 적은 평균 전력을 수신합니다(전력은 사이클 전체에서 더 짧은 시간 동안 전달됨). 직렬 게이트 저항을 가변적으로 만들어 시간 비례 전력을 조정할 수 있습니다. (아래 그림)

저항을 높이면 임계값 레벨이 올라가 부하에 전달되는 전력이 줄어듭니다. 저항을 낮추면 임계값 수준이 낮아져 부하에 더 많은 전력이 전달됩니다.

불행히도 이 제어 방식에는 상당한 제한이 있습니다. SCR 트리거링 신호에 AC 소스 파형을 사용할 때 파형 반주기의 전반부로 제어를 제한합니다. 즉, SCR을 트리거하기 위해 파도의 피크가 끝날 때까지 기다리는 것은 불가능합니다. 이것은 SCR이 파동의 정점에서 켜지는 지점까지만 전원을 끌 수 있음을 의미합니다. (아래 그림)

최소 전력 설정의 회로

트리거 임계값을 더 높이면 AC 전원 전압의 피크조차도 SCR을 트리거하기에 충분하지 않기 때문에 회로가 ​​전혀 트리거되지 않습니다. 그 결과 부하에 전력이 공급되지 않습니다.

이 제어 딜레마에 대한 독창적인 솔루션은 위상 변이 커패시터를 회로에 추가하는 것에서 찾을 수 있습니다. (아래 그림)

회로에 위상 변이 커패시터 추가

그래프에 표시된 더 작은 파형은 커패시터 양단의 전압입니다. 위상 변이를 설명하기 위해 제어 저항과 커패시터를 통해 흐르는 적은 전류를 제외하고 부하 전류 없이 SCR이 전혀 트리거되지 않는 최대 제어 저항 조건을 가정합니다. 이 커패시터 전압은 전원 AC 파형보다 뒤처지는 0o에서 90o 사이에서 위상 편이됩니다. 이 위상 편이 전압이 충분히 높은 수준에 도달하면 SCR이 트리거됩니다.

주기적으로 SCR을 트리거하기 위해 커패시터 양단에 충분한 전압이 있으면 결과적인 부하 전류 파형은 아래 그림과 같이 표시됩니다.

위상 이동 신호는 SCR을 전도로 트리거합니다.

주 AC 전원 파형이 피크에 도달한 후에도 커패시터 파형이 여전히 상승하고 있기 때문에 해당 피크를 초과하는 임계값 레벨에서 SCR을 트리거할 수 있으므로 더 간단한 회로에서 가능했던 것보다 부하 전류 파형을 더 많이 절단할 수 있습니다. 실제로 커패시터 전압 파형은 여기에 표시된 것보다 약간 더 복잡하며 SCR이 래치될 때마다 사인파 모양이 왜곡됩니다. 그러나 여기서 설명하려고 하는 것은 위상 이동 RC 네트워크에서 얻은 지연된 트리거 동작입니다. 따라서 단순화되고 왜곡되지 않은 파형이 목적에 적합합니다.

복잡한 회로에 의한 SCR 트리거

SCR은 더 복잡한 회로에 의해 트리거되거나 "발화"될 수도 있습니다. 이전에 표시된 회로는 램프 제어와 같은 간단한 애플리케이션에 충분하지만 대형 산업용 모터 제어는 종종 보다 정교한 트리거링 방법에 의존합니다. 때로는 펄스 변압기를 사용하여 트리거 회로를 SCR의 게이트 및 음극에 연결하여 트리거 회로와 전원 회로 사이에 전기적 절연을 제공합니다.

트리거 신호의 변압기 커플링은 절연을 제공합니다.

전원을 제어하기 위해 여러 SCR을 사용하는 경우 음극이 전기적으로 공통적이지 않은 경우가 많아 단일 트리거 회로를 모든 SCR에 동일하게 연결하기 어렵습니다. 이에 대한 예는 아래 그림에 표시된 제어 브리지 정류기입니다.

제어 브리지 정류기

브리지 정류기 회로에서 정류 다이오드(이 예에서는 정류 SCR)는 반대 쌍으로 전도되어야 합니다. SCR1과 SCR3은 동시에 발사되어야 하며, SCR2와 SCR4는 한 쌍으로 함께 발사되어야 합니다. 그러나 이러한 SCR 쌍은 동일한 음극 연결을 공유하지 않습니다. 즉, 단순히 각 게이트 연결을 병렬로 연결하고 단일 전압 소스를 연결하여 둘 모두를 트리거하는 것은 작동하지 않습니다. (아래 그림)

이 전략은 SCR2와 SCR4를 쌍으로 트리거하는 데는 작동하지 않습니다.

표시된 트리거 전압 소스가 SCR4를 트리거하지만 두 사이리스터가 해당 트리거 전압을 참조하기 위해 공통 음극 연결을 공유하지 않기 때문에 SCR2를 제대로 트리거하지 않습니다. 그러나 2개의 사이리스터 게이트를 공통 트리거 전압 소스에 연결하는 펄스 변압기는 작동합니다. (아래 그림)

게이트의 변압기 커플링으로 SCR2 및 SCR4를 트리거할 수 있습니다.

이 회로는 4개의 SCR 중 2개의 게이트 연결만 보여줍니다. SCR1 및 SCR3에 대한 펄스 변환기 및 트리거링 소스는 물론 펄스 소스 자체의 세부사항은 단순성을 위해 생략되었습니다.

제어 브리지 정류기는 단상 설계에 국한되지 않습니다. 대부분의 산업용 제어 시스템에서 AC 전원은 최대 효율을 위해 3상 형태로 제공되며 이를 활용하기 위해 무접점 제어 회로가 구축됩니다. 표시된 펄스 변압기나 트리거링 회로 없이 SCR로 구축된 3상 제어 정류기 회로는 아래 그림과 같습니다.

3상 브리지 SCR 부하 제어

검토: 실리콘 제어 정류기(SCR)는 기본적으로 추가 단자가 추가된 쇼클리 다이오드입니다. 이 추가 단자를 게이트라고 하며 작은 전압을 인가하여 장치를 전도(래치)하도록 트리거하는 데 사용됩니다. SCR을 작동시키거나 작동시키려면 게이트와 음극 사이에 전압이 인가되어야 하며, 게이트에는 양의 전압이, 음극에는 음의 전압이 가해져야 합니다.

SCR을 테스트할 때 게이트와 양극 사이의 일시적인 연결은 극성, 강도 및 지속 시간이 트리거하기에 충분합니다. SCR은 게이트 단자의 의도적인 트리거링, 양극과 음극 사이의 과도한 전압(파괴) 또는 양극과 음극 사이의 과도한 전압 상승률에 의해 발생될 수 있습니다. SCR은 유지 전류 값 아래로 떨어지는 애노드 전류(낮은 전류 드롭아웃) 또는 게이트 "역 점화"(게이트에 음의 전압 적용)에 의해 꺼질 수 있습니다. 역발사는 때때로 효과적이며 항상 높은 게이트 전류를 수반합니다.

GTO(Gate-Turn-Off 사이리스터)라고 하는 SCR의 변형은 역 트리거링을 통해 끄도록 특별히 설계되었습니다. 그럼에도 불구하고 역 트리거링에는 상당히 높은 전류(일반적으로 양극 전류의 20%)가 필요합니다. SCR 단자는 연속성 측정기로 식별할 수 있습니다. 단자 사이에 연속성을 나타내는 단 두 개의 단자는 게이트와 음극이어야 합니다. 게이트 및 음극 단자는 SCR 내부의 PN 접합에 연결되므로 연속성 측정기는 게이트의 빨간색(+) 리드와 음극의 검은색(-) 리드를 사용하여 이 두 단자 사이에서 다이오드와 같은 판독값을 얻어야 합니다. 그러나 일부 대형 SCR에는 게이트와 음극 사이에 내부 저항이 연결되어 있어 미터가 측정하는 모든 연속성 판독값에 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의하십시오.

SCR은 진정한 정류기입니다. SCR은 전류를 한 방향으로만 통과시킵니다. 이는 전파 AC 전원 제어를 위해 단독으로 사용할 수 없음을 의미합니다. 정류기 회로의 다이오드가 SCR로 교체되면 제어된 정류기 회로가 만들어지며, 이를 통해 부하에 대한 DC 전력은 AC 전력 파형을 따라 다른 지점에서 SCR을 트리거하여 시간에 비례할 수 있습니다.

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