Выпрямитель с кремниевым управлением
Выпрямитель с кремниевым управлением или выпрямитель с полупроводниковым управлением — это четырехслойное твердотельное устройство регулирования тока. Название «кремниевый управляемый выпрямитель» — это торговая марка General Electric для типа тиристора.
SCR в основном используются в электронных устройствах, требующих контроля высокого напряжения и мощности. Это делает их применимыми для операций со средней и высокой мощностью переменного тока, таких как функция управления двигателем.
SCR проводит ток, когда на него подается импульс затвора, как и диод. Он имеет четыре слоя полупроводников, которые образуют две структуры, а именно; НПНП или ПНПН. Кроме того, он имеет три перехода, обозначенные как J1, J2 и J3, и три вывода (анод, катод и затвор). SCR схематически представлен, как показано ниже.
Анод подключается к P-типу, катод — к N-типу, а затвор — к P-типу, как показано ниже.
В SCR внутренним полупроводником является кремний, в который введены необходимые легирующие добавки. Однако легирование соединения PNPN зависит от приложения SCR.
Режимы работы в SCR
- OFF state (forward blocking mode)— Здесь аноду назначается положительное напряжение, затвору назначается нулевое напряжение (отключено), а катоду назначается отрицательное напряжение. В результате переходы J1 и J3 находятся в прямом смещении, а J2 — в обратном. J2 достигает своего лавинного значения пробоя и начинает проводить. Ниже этого значения сопротивление J1 значительно выше и, следовательно, считается, что он находится в выключенном состоянии.
- ON state (conducting mode)— SCR переводится в это состояние либо путем увеличения разности потенциалов между анодом и катодом выше лавинного напряжения, либо путем подачи положительного сигнала на затвор. Сразу же SCR начинает проводить, напряжение на затворе больше не требуется для поддержания состояния ВКЛ и, следовательно, отключается:
- Уменьшение тока через него до самого низкого значения, называемого током удержания
- Используя транзистор, расположенный поперек перехода.
Japanese Spanish German French Thai Portuguese Russian Vietnamese Italian Korean Turkish Indonesian Polish Hindi
Преобразователи переменного тока в постоянный
- Однофазные контроллеры переменного напряжения
- Силовая электроника — Циклоконвертеры
- Силовая электроника — встроенное управление циклом
- Силовая электроника — матричные преобразователи
- Преобразователи переменного тока в постоянный решенный пример
Как выбрать регулятор мощности SCR
На протяжении почти 50 лет производители оборудования и специалисты по техническому обслуживанию успешно используют контроллеры мощности SCR (кремниевые выпрямители), чтобы обеспечить надежный и гибкий подход к управлению электронагревателями.
SCR — это твердотельное переключающее устройство, которое может обеспечивать быстрое пропорциональное регулирование электрической мощности с бесступенчатой регулировкой. Он может работать с частотой до 0,083 секунды при питании от сети 60 Гц. При правильном выборе и использовании регулятор мощности SCR может без проблем включаться и выключаться огромное количество раз.
Регулятор мощности SCR не имеет механических частей, которые могут изнашиваться. На регуляторе мощности SCR не будет дуги и на него не будут влиять грязные контакты.
Большинство регуляторов мощности SCR рассчитаны на рабочую температуру окружающей среды 50 °C при полной номинальной мощности. Полупроводниковые предохранители 2 мс I 2 T, радиаторы, защита от скачков напряжения и силовые наконечники также входят в комплект регуляторов мощности SCR, которые вы можете купить у нас на сайте Элемаг.
Регуляторы мощности SCR могут использовать несколько методов подачи электроэнергии на нагрузки нагревателя.
- Двухпозиционное регулирование обеспечивает питание как механическое или ртутное реле без механического износа.
- Переключение при нулевом напряжении пропорционально включается и выключается каждый полный цикл цикла линии питания. Изменяя количество циклов линии питания переменного тока, SCR обеспечивает питание нагревателей. Благодаря переменной временной развертке достигается оптимальное количество циклов включения / выключения. Это переключение выполняется за доли секунды во время прохождения нулевого напряжения в циклах линии питания. Температуру нагревателя можно поддерживать с жесткими допусками.
- Фазово-угловое управление пропорционально включает процентное соотношение каждого полупериода линии электропередачи. Это обеспечивает плавное, бесступенчатое приложение мощности к нагревателям. Фазово-угловое управление позволяет использовать такие опции, как плавный пуск, а также ограничение тока и напряжения. Срок службы нагревателя может быть увеличен до семи раз в зависимости от типа нагревательного элемента.
Выбор регулятора мощности SCR
При выборе наиболее подходящего регулятора мощности SCR сначала определите максимальное напряжение в сети переменного тока. Затем определите максимальную потенциальную силу тока или мощность нагрузки вашего нагревательного элемента. Это базовая, но очень важная информация. Как и в случае с другим силовым оборудованием, создайте некоторый запас в конструкции вашей системы. Работа с нагрузкой 100 А с SCR, рассчитанным ровно на 100 А, приведет к перегоранию предохранителя. Большинство производителей рекомендуют установить контроллер мощности SCR на 110–125% от максимальной амперной нагрузки.
Использование неправильного контроллера может означать перегоревший предохранитель или поврежденный контроллер после чрезмерного скачка напряжения или пускового тока. Особенно важно правильно выбрать подходящий регулятор мощности SCR для нагревательных элементов из вольфрама (галогенные инфракрасные лампы), молибдена (дисилицид-молибденовые нагреватели) или графита, ведь при начальном запуске на них могут возникать большие токи. Первичные обмотки трансформатора также имеют пусковые токи и переходные напряжения, которые могут привести к перегоранию предохранителей при запуске, если не выполняется плавный пуск.
Чтобы получить больше информации
Подробнее об особенностях конструкции регуляторов SCR вы можете прочитать в нашей прошлой статье «Особенности регуляторов мощности SCR», а если вы выбираете регулятор мощности галогенных нагревателей для процессов сушки, ознакомьтесь со статьей «Использование контроллеров мощности SCR для галогенных инфракрасных нагревателей при сушке бумаги».
Компания Элемаг много лет занимается производством электронагревателей и созданием эффективных систем нагрева. У нас на сайте вы найдете все необходимое для конструирования системы контроля нагревательными элементами, либо вы можете просто обратиться к нашим специалистам за помощью в сборке эффективного шкафа управления нагревательной системой.
Свяжитесь со специалистами компании Элемаг. Звоните +7 (495) 642 53 23 или читайте подробное описание регуляторов мощности на страницах товара Регулятор напряжения и мощности SCR -4 4000 и Регулятор напряжения и мощности SCR -10.
Открытие тиристора
Идея тиристора была впервые описана Шокли в 1950 году. Он назывался биполярным транзистором с p-n крючковым коллектором. Механизм его работы был в дальнейшем проанализирован Эберсом.
Затем в 1956 году Молл исследовал механизм переключения тиристора. Развитие продолжилось и о работе тиристоров была получена исчерпывающая информация, а первые промышленные тиристоры появились в начале 1960-х годов, набирая популярность в качестве прибора для коммутации силовых цепей.
Применения тиристоров
Тиристоры, или кремниевые управляемые выпрямители (SCR) используются во большом количестве различных применений. Наиболее распространенные применения тиристоров следующие:
- Управление цепями переменного тока (включая освещение, электродвигатели и т.п.);
- Защитные устройства в источниках питания;
- Переключение цепей переменного тока;
- Управляющие элементы в контроллерах, управляемых по фазовому углу;
- В фотовспышках, где они работают как выключатель для разряда накопленного напряжения через лампу вспышки, а затем выключают лампу через заданное время.
Тиристоры способны коммутировать высокие напряжения и выдерживать обратные напряжения, что делает их идеальными для задач коммутации, в особенности в цепях переменного тока.
Тиристоры или SCR (кремниевые управляемые выпрямители) являются приборами с радом необычных характеристик. У них три вывода: анод, катод и затвор — названия, доставшиеся от вакуумной электронной техники. Как можно ожидать, затвор — это управляющий электрод, в то время как основной ток течет между анодом и катодом.
Как можно определить исходя из используемого для обозначения тиристора символа, показанного ниже, это прибор является однонаправленным, что объясняет наименование кремниевый управляемый выпрямитель, данное компанией GE. Поэтому когда этот прибор используется в цепях переменного тока, он проводит только в течение половины периода.
В работе, тиристор или SCR не проводит в исходном состоянии. Для того, чтобы открыться, тиристору нужен определенный уровень тока, текущий через затвор. Как только тиристор откроется, он будет оставаться в фазе проводимости до тех пор, пока напряжение между анодом и катодом не будет снято — это, очевидно, случается в конце полупериода, в течение которого тиристор находится в фазе проводимости. Следующую половину периода тиристор будет закрыт как результат работы в качестве выпрямителя. Затем снова потребуется ток через затвор для того, чтобы открыть тиристор снова.
Обозначение тиристора на схеме
Символ SCR или тиристора используется на принципиальных схемах для того, чтобы подчеркнуть его выпрямительные характеристики и одновременно указать на наличие управляемого затвора. В результате, символ тиристора состоит из традиционного диода и управляемого затвора, расположенного в районе p-n перехода и отражает конструкцию тиристора.
SCR / Символ для принципиальных схем
Другие типы тиристоров или SCR
Существует ряд различных типов тиристоров — это все различные варианты основного компонента, но они дают различные возможности которые могут быть использованы в различных случаях и могут быть использованы для различных цепей.
- Тиристор с обратной проводимостью, RCT: хотя тиристоры обычно не проводят ток в обратном направлении, один из видов, называемых тиристором с обратной проводимостью, который имеет в своей конструкции обратный диод для обеспечения проводимости в обратном направлении, хотя в этом случае управление проводимостью невозможно. В тиристоре с обратной проводимостью сам прибор и диод не проводят одновременно. Это означает, что они не выделяют тепло одновременно. Как следствие, эти два прибора можно объединить и охлаждать в одном корпусе одновременно. RTC можно использовать, когда необходим обратный диод, например в преобразователях частот и инверторах.
- Тиристоры с предназначенным для выключения затвором (GATT, gate assigned turn-off thyristor): GATT используется в обстоятельствах, когда требуется быстрое выключение. Для того, чтобы помочь этому процессу, иногда требуется приложение отрицательного напряжения на затвор в дополнение к снижению напряжения между анодом и катодом. Это обратное напряжение помогает снижению концентрации неосновных носителей, запасенных в основной зоне n-типа и оно гарантирует, что переход затвор-катод не смещен в прямом направлении. Структура GATT похожа на структуру стандартного тиристора, за исключением того, что узкая зона катода используется для обеспечения большей управляемости, поскольку затвор ближе к центру катода.
- Тиристор отключаемый затвором (GTO — gate turn-off thyristor): GTO иногда называют выключатель с затвором. Этот прибор является особенным в семействе тиристоров, поскольку он может быть выключен простым приложением отрицательного напряжения к затвору — нет необходимости в снятии напряжения между анодом и катодом.
- Асимметричный тиристор: Этот прибор используется в цепях, где к тиристору не прилагается обратное напряжение и поэтому, выпрямительные возможности тиристора не нужны. В результате становится возможным сделать второй переход, часто обозначаемый J2, намного более тонкий. Такая зона n-типа обеспечивает сниженное значение напряжения von так же как и меньшее время включения и выключения.
Статьи о тиристорах
Особенности регуляторов мощности SCR
Сегодня, более чем когда-либо, инженеры проектируют системы электрического технологического нагрева с использованием регуляторов мощности SCR. Использование регулятора мощности SCR имеет множество преимуществ: более точное управление процессом нагрева, увеличенный срок службы нагревателя, улучшенное качество продукции при более высоких скоростях производства и снижение затрат на обслуживание.
Регулятор мощности SCR — это устройство, являющееся примером правильно спроектированного управления мощностью, имеет в конструкции радиатор охлаждения, защиту от скачков напряжения варистора и предохранитель.
Если вы принимаете решения в своей компании, вы должны выбирать из множества типов компонентов, используемых во всем технологическом процессе. Возьмем, к примеру, контроль мощности. Вы можете спросить: «Зачем использовать кремниевый выпрямитель (SCR), регулирующий мощность?» Давайте ответим на данный вопрос.
SCR — это твердотельное переключающее устройство, которое может обеспечивать быстрое пропорциональное регулирование электрической мощности с бесступенчатой регулировкой. Он может работать с частотой до 0,083 секунды при питании от сети 60 Гц. При правильном выборе и использовании регулятор мощности SCR может без проблем включаться и выключаться 1 миллиард раз.
В отличие от механического реле или контактора, регулятор мощности SCR не имеет механических частей, которые могут изнашиваться. Регулятор мощности SCR не будет подвергаться дуге или загрязнению контактов. А механическое реле необходимо будет заменить через определенное количество циклов. Из-за медленного (минимум 30 секунд) времени цикла, присущего механическим реле, управление напряжением с их помощью будет некачественным, в сравнении с SCR.
Ртутные реле смещения могут работать быстрее, чем механические реле. Однако при перегреве из-за слишком быстрой смены циклов или перегрузки ртутное реле взорвется. Это приводит к проблеме с опасными материалами. Из-за более строгих правительственных нормативов транспортировка и утилизация ртутных реле также становятся все труднее.
Твердотельные реле — популярная альтернатива механическому управлению мощностью. Общие для всех твердотельных устройств твердотельные реле рассеивают тепло, которое необходимо отвести, и они способны рассеивать больше тепла, чем тиристоры. Но твердотельные реле обычно не поставляются с наконечниками, которые обеспечивают надежное электрическое соединение для более высоких уровней мощности. Кроме того, они не всегда продаются с радиаторами, защитой по напряжению или предохранителями, необходимыми для защиты и безопасной работы реле.
Дальнейшие проблемы могут возникнуть из-за характеристик твердотельного реле. Почти все твердотельные реле рассчитаны на максимальную мощность при 25 о С. В реальных условиях эксплуатации, где внутренние температуры электротехнических шкафов достигают более чем 40 ò С, твердотельное реле может потерпеть неудачу , если используется на полную мощность. У большинства производителей есть таблица снижения номинальных характеристик своей продукции, чтобы компенсировать это несоответствие. К сожалению, при выборе твердотельного реле многие пользователи полагаются только на максимальный рейтинг. Обязательно ознакомьтесь с данными производителя, прежде чем выбирать, какое твердотельное реле лучше всего подойдет для вашего процесса.
Большинство регуляторов мощности SCR рассчитаны на рабочую температуру окружающей среды 50 o C при полной номинальной мощности. Предохранители, радиаторы, защита по напряжению и наконечники питания обычно входят в комплект регуляторов мощности SCR.
Минимальное номинальное напряжение SCR
Таблица 1: Минимальное номинальное напряжение SCR. Минимальное номинальное напряжение для SCR определяется уровнем напряжения питания, на котором он будет использоваться.
Продление срока службы вашего регулятора мощности
Три вещи разрушат все твердотельные регуляторы мощности:
- Перегрев.
- Короткие замыкания.
- Скачки напряжения.
Вот как уберечь их от выхода из строя на вашей производственной линии.
Перегрев
Почти все полупроводники будут разрушены при температуре внутреннего перехода 125 o C. Все твердотельные силовые устройства, такие как тиристоры, симисторы и твердотельные реле, рассеивают тепло. Падение напряжения на силовом устройстве приводит к выделению тепла. Это падение может составлять от 1 до 2 В в зависимости от устройства. Чем больше ток (в амперах) проходит через устройство, тем большую мощность устройство будет рассеивать в виде тепла. Это тепло необходимо убрать, иначе устройство выйдет из строя.
Самый простой и распространенный способ отвода тепла — использование радиатора. Если используется радиатор подходящего размера, SCR может работать на полную мощность при температуре окружающей среды 50 o C. Чем выше выходная сила тока, тем больше тепла рассеивается. Многие производители используют вентиляторы для отвода избыточного тепла от высокопроизводительных регуляторов мощности SCR. В некоторых регуляторах мощности SCR со сверхвысокой выходной мощностью (более 1000 А) используются радиаторы с водяным охлаждением.
Одна из проблем с некоторыми SCR или твердотельными реле — это упаковка. Чтобы уменьшить размер радиатора, производители делают его с площадью ребер недостаточной для отвода избыточного тепла. Радиаторы, устанавливаемые на DIN-рейку, позволяют сэкономить место на панели и время установки. Однако, когда многие элементы управления установлены рядом друг с другом на DIN-рейке, удельная мощность внутри корпуса увеличивается. В то же время поток воздуха к радиаторам уменьшается или полностью блокируется. Если вы используете такое расположение, убедитесь, что производитель не потребовал, чтобы радиатор на DIN-рейке охлаждался вентилятором или устанавливался с ребрами радиатора снаружи шкафа. Кроме того, проверьте кривую снижения характеристик устройства на том уровне мощности, который он будет использовать.
Даже при низкой мощности, такой как 25 А, каждая управляемая ножка твердотельного реле будет рассеивать около 50 Вт рассеиваемого тепла. Если у вас есть 20 регуляторов мощности твердотельных реле на DIN-рейке в небольшом корпусе, вам придется избавиться от 1000 Вт тепла! При установке элементов управления питанием следует использовать в два раза большую площадь, занимаемую устройством. Например, если регулятор мощности SCR имеет площадь основания 12 x 12 дюймов, используйте для установки область 24 x 24 дюйма.
Правильная вентиляция электрического шкафа имеет решающее значение для поддержания работы регулятора мощности SCR. Даже регулятор мощности с адекватным теплоотводом выйдет из строя, если тепло не сможет покинуть корпус. При вентиляции корпуса основная формула составляет 10 к 2 площади входа и выхода на каждые 50 А на каждую контролируемую ногу. Из-за повышения температуры вентиляционные отверстия должны быть вверху и внизу корпуса.
Чтобы определить тепло, выделяемое контроллером SCR, используйте следующую формулу: для каждой контролируемой ветви (C) умножьте силу тока нагрузки (I) на 1,5.
C x I x 1,5 = рассеиваемая мощность (Вт)
Вентиляторное охлаждение — это эффективный способ поддерживать безопасную рабочую температуру шкафа управления. Чтобы определить размер необходимых вентиляторов, обращайтесь к нашим специалистам по телефону или по электронной почте. Мы занимаемся решениями для охлаждения или нагрева воздуха в шкафу автоматики уже много лет, поэтому являемся экспертами в этой области. У нас вы можете выбрать вентиляторы для охлаждения с различными характеристиками в разделе с обогревателями ОША.
Пластиковые корпуса действуют как теплоизоляторы. Скорее всего, вы повредите регулятор мощности SCR, если установите его внутри пластикового корпуса. Установка радиатора в сквозное отверстие с ребрами радиатора на внешней стороне корпуса — единственный надежный способ использования пластикового корпуса.
Для создания безопасного расположения элементов, позволяющего поддерживать работу регуляторов мощности SCR в течение многих лет, нужно придерживаться следующих рекомендаций. Все тиристоры должны иметь предохранители и металлооксидную варисторную защиту по напряжению. Радиаторы должны быть расположены на безопасном расстоянии друг от друга для эффективного охлаждения. На дверце шкафа автоматики должен быть установлен вентилятор и вентиляционные отверстия в верхней части корпуса для обеспечения достаточного охлаждения для всех компонентов.
Защита от короткого замыкания и предохранители
Все полупроводники могут быть повреждены коротким замыканием. Один из простейших способов защитить регулятор мощности SCR — это предохранитель. SCR — это прочные и надежные устройства. Однако для обеспечения максимальной производительности и срока службы необходимо использовать полупроводниковые, субцикловые и токоограничивающие предохранители. Почти все производители регуляторов мощности SCR имеют эти предохранители на своих регуляторах. Токоограничивающие предохранители надежны и легко заменяются. Предохранитель этого типа сработает в течение 2 мс. Эти предохранители также ограничивают ток при отключении.
В случае короткого замыкания нагревателя проще всего заменить предохранитель. Перед установкой нового предохранителя обязательно удалите закороченный нагреватель или проводку. Не использовать полупроводниковый предохранитель — это глупо и безответственно. Без защиты плавким предохранителем SCR может быть поврежден, когда в этом нет необходимости.
Регуляторы напряжения, представленные в нашем интернет-магазине, имеют встроенные предохранители, которые позволят безопасно использовать их в нагревательных системах. Только будьте внимательны при выборе требуемой мощности, а лучше обратитесь к специалистам Элемаг за консультацией.
Помните, что 99,9% отказов предохранителей происходят из-за короткого замыкания нагревателей, слабых соединений, неправильного (слишком большого) согласования нагрузки или неправильного подключения регулятора мощности SCR. При высоких скачках нагрузки (вольфрамовые лампы, коротковолновые галогенные нагреватели) использование чего-либо, кроме плавного пуска, управления тиристором по углу сдвига по фазе, приведет к перегоранию предохранителей. Никогда не включайте холодный пусковой блок нагревателя после того, как был активирован плавный пуск.
Убедитесь, что размер регулятора мощности SCR соответствует нагрузке вашего нагревателя. Помните, что у нагревателей и линий электропередач есть допуски. В целях безопасности используйте регулятор мощности SCR с номиналом от 1 до 10 процентов от максимального потенциала нагрузки нагревателя.
Скачки напряжения
Скачки перенапряжения затронут почти все электронные устройства. Переходные скачки напряжения могут привести к пропуску зажигания в SCR или даже к необратимому повреждению SCR.
Самым простым в использовании защитным устройством является металлооксидный варистор (MOV). Варистор подключен к тиристору. При использовании варистора с номинальным напряжением выше, чем линейное напряжение, но ниже, чем пиковое напряжение SCR, металлооксидный варистор становится эффективной защитой от скачков напряжения. Если скачок переходного напряжения превышает номинальное напряжение варистора, варистор блокирует этот скачок. Если импульс достаточно мощный, металлооксидный варистор взорвется, защищая тиристор.
Использование платы подавления DV / DT — это следующий шаг в защите от шума линии электропередач и скачков напряжения. Благодаря сети силовых резисторов, высоковольтных конденсаторов и металлооксидных варисторов, SCR имеет лучшую защиту от линейных помех и скачков напряжения. Эта сеть помогает устранить повреждение SCR, а также пропуски зажигания SCR.
Постоянное перенапряжение разрушит SCR. Убедитесь, что тиристоры, используемые в регуляторе мощности, рассчитаны на достаточно высокое напряжение, чтобы выдерживать пики промышленного напряжения. Чем выше пиковое напряжение SCR, тем безопаснее он.
Выбор SCR
Регулятор мощности SCR может подавать электроэнергию на нагреватели несколькими способами: срабатывание по фазе, переключение при нулевом напряжении и управление включением / выключением.
Фазо-угловые регуляторы пропорционально включают процентную долю каждого полупериода линии электропередачи. Это обеспечивает плавное, бесступенчатое приложение мощности к нагревателям. Самый точный метод управления, фазовый обжиг, также может увеличить срок службы нагревателя до семи раз, в зависимости от типа нагревателя. Кроме того, поджиг по фазе позволяет использовать такие опции, как плавный пуск, ограничение напряжения и тока. Эти параметры недоступны с другими средствами управления.
Элементы управления переключением при нулевом напряжении пропорционально включают и выключают каждый полный цикл линии питания. Изменяя количество циклов линии питания переменного тока, SCR обеспечивает питание нагревателей. Благодаря переменной временной развертке достигается оптимальное количество циклов включения и выключения. Этот метод создает меньше линейных шумов радиочастотных помех (RFI), чем тиристоры с фазо-угловым возбуждением.
Регуляторы включения / выключения работают так же, как механические или ртутные реле, но с тем преимуществом, что они намного сокращают время цикла.
Использование регулятора мощности SCR предлагает наиболее точные средства управления электронагревателями. Срок службы нагревателя увеличивается; увеличены производственные скорости; и качество продукции улучшается. Просто не забудьте защитить его от перегрева, скачков напряжения и коротких замыканий с самого начала проектирования вашей системы.
Выполнив несколько простых шагов, регулятор мощности SCR может обеспечить превосходную производительность при минимальных затратах на обслуживание в течение многих лет.