ΤΕΙ - ΧΑΛΚΙ ΑΣ. (Silicon Controlled Rectifier). πυριτίου (TRlAC). (Silicon Controll ed Switch). - 0 ελεγχόµενος ανορθωτής πυριτίου SCR

Transcript

1 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 1 6. ΤΑ ΘΥΡΙΣΤΟΡ - 0 ελεγχόµενος ανορθωτής πυριτίου SCR (Silicon Controlled Rectifier). - Η αµφίδροµη δίοδος THYRlSTOR (DIAC). - 0 αµφίδροµος ελεγχόµενος ανορθωτής πυριτίου (TRlAC). - 0 ελεγχόµενος διακόπτης πυριτίου SCS (Silicon Controll ed Switch).

2 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 2 Ελεγχόµενος ανορθωτής πυριτίου (SCR) Πύλη (G) Άνοδος (Α) Κάθοδος (Κ) (α) ιάφορες µορφές SCR (β)

3 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 3 Χαρακτηριστική καµπύλη SCR V BO : τάση εκκίνησης V H : τάση συγκράτησης Ι H : ρεύµα συγκράτησης V H Περιοχή αγωγιµότητας Για I G =0 V BO Περιοχή µη αγωγιµότητας

4 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 4 Εξάρτηση της τάσης εκκίνησης V BO από το ρεύµα πύλης I G I BO I I H V H I G2 >I G1 >0. I G2 I G1 I G =0 Όσο αυξάνεται το ρεύµα Ι G, τόσο µικραίνει η τάση V BO. I G2 V BO V

5 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια V R Συνθήκες έναρξης και παύσης της αγωγιµότητας του SCR Λαµπτήρας (OFF) 2 SCR Το SCR δεν άγει αν δεν υπάρχει τάση µεταξύ ανόδου-καθόδου 1 V R Λαµπτήρας (ON) 2 SCR Το SCR εξακολουθεί να άγει και αν ακόµα διακοπεί η πόλωση της πύλης V R 2 SCR Για να αρχίσει να άγει το SCR πρέπει να πολωθεί η πύλη σε υψηλότερο δυναµικό από την κάθοδο 1 V R Λαµπτήρας (ON) Λαµπτήρας (OFF) 2 SCR Για να σταµατήσει να άγει το SCR πρέπει να διακοπεί η τάση ανόδου-καθόδου

6 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 6 Έλεγχος DC ισχύος R G 1 R L +V 1 κλειστός: το SCR γίνεται αγώγιµο. Παραµένει αγώγιµο και µετά το άνοιγµα του διακόπτη 1. Παρέχεται ισχύς στο φορτίο. 2 κλειστός: το ρεύµα το παρακάµπτει SCR. εν παρέχεται ισχύς στο φορτίο. 2

7 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 7 Έλεγχος AC ισχύος µε SCR Έλεγχος του χρόνου που ρέει το ρεύµα φορτίου I L και όχι της τιµής του v Είναι v=v m ηµωt R L : αντίσταση φορτίου (πχ αντίσταση θερµάστρας, αντίσταση λαµπτήρα, DC κινητήρας κ.α.). R 1 : περιορίζει I G. Έχει µικρή τιµή. D: εξασφαλίζει την πόλωση της πύλης κατά τη θετική µόνο ηµιπερίοδο της v. R 2 : ρυθµίζει I G R 1 R 2 D Ι G1 I L R L SCR

8 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 8 v R 1 R 2 D Ι G1 R L Ι L SCR I AK I G 1 V AK V BO 1 1 η περίπτωση: µέγιστη ισχύς R 1 µικρή και R 2 =0 Ω Ι G παίρνει µεγάλη τιµή V BO 0 SCR συµπεριφέρεται σαν απλή δίοδο και άγει καθ όλη τη διάρκεια της θετικής ηµιπεριόδου της τάσης εισόδου v. Το φορτίο R L διαρρέετε από ρεύµα καθ όλη τη θετική ηµιπερίοδο δηλ. για και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο είναι η µέγιστη.

9 V BO2 v { φ= Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 9 v R 1 R 2 2 η περίπτωση: ενδιάµεση ισχύς R 1 µικρή και R 2 =ενδιάµεση τιµή Ι G 2 : ενδιάµεση τιµή V BO2> V BO1 Έστω V BO2 αντιστοιχεί σε φ=45 0 R L γωνία αγωγιµότητας θ (του I L )= ( )=135 0 δηλ. I L ρέει <180 0 (προηγούµενη περίπτωση) λιγότερη ισχύς στο φορτίο D Ι G2 I L Ι L SCR θ=135 0 I AK I G2 <I G1 V BΟ2 V AK

10 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 10 Κύκλωµα ελέγχου ισχύος µε SCR όπου η γωνία αγωγιµότητας µπορεί να ελεγχθεί από E in R 1 R 2 C Λαµπτήρας (φορτίο) D SCR

11 220 V rms 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 11 Εφαρµογή: Σύστηµα αποκατάστασης τάσης µε SCR (α) Όταν 220 V ΟΝ, πυκνωτής φορτίζεται σε τάση V Cmax = 6,3 1,41=8,9 V=V καθοδ(scr). Επειδή V ανοδ(scr) =6 V SCR δεν άγει φορτίο (λάµπα) τροφοδοτείται από το ρεύµα ανορθωτή D 1, D 2. Μπαταρία φορτίζεται µέσω D 3 και R 1, όπως δείχνουν τα βέλη. Όταν 220 V OFF, πυκνωτής εκφορτίζεται µέσω της D 3, R 1 και R 3 κάνοντας την κάθοδο του SCR λιγότερο θετική από την άνοδο (6 V) ή την πύλη. SCR αρχίζει να άγει και η λάµπα τροφοδοτείται από την µπαταρία. Όταν επανέλθει η τάση, ο πυκνωτής επαναφορτίζεται, το SCR σταµατάει να άγει και η µπαταρία αρχίζει να επαναφορτίζεται. (β)

12 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 12 Εφαρµογή: Κύκλωµα προστασίας από υπερτάσεις µιας ευαίσθητης συσκευής Ασφάλεια 220 V Τροφο- DC τροφοδοτικό Το κύκλωµα προστατεύει τη συσκευή στην περίπτωση που η V out υπερβεί την προκαθορισµένη τιµή της. Εάν V out =11 V dc, V Z =11,5 V και V OUT αυξηθεί στα 11,5 V, µπαίνει σε λειτουργία η Zener και η πύλη του SCR, πολώνεται σε V TRIG που ρυθµίζεται από τον διαιρέτη τάσης R 1, R 2 και αρχίζει να άγει. Το ρεύµα του SCR εξαρτάται από το άθροισµα SCR R3 Επειδή r SCR, R 3 SCR µεγάλο µε συνέπεια να καεί λειτουργία του τροφοδοτικού. R 3 R 1 R 2 V out Zener r +. Ευαίσθητη συσκευή έχουν µικρές τιµές το ρεύµα του SCR είναι πολύ η ασφάλεια (F) και να διακοπεί η

13 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 13 Έλεγχος SCR µε ωµόµετρο ΑΝΟ ΟΣ ΚΑΘΟ ΟΣ 1 η µέτρηση ΠΟΛΛΑ ΩΜ ΩΜΟΜΕΤΡΟ + - ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΑ ΑΝΟ ΟΣ ΚΑΘΟ ΟΣ 2 η µέτρηση ΛΙΓΑ ΩΜ ΩΜΟΜΕΤΡΟ + - Έλεγχος ισχύος στην τριφασική ανόρθωση Τα κυκλώµατα R 1 C 1, R 2 C 2, R 3 C 3 ενεργούν αντίστοιχα στις D 1, D 2, D 3. Ισχύει R 1 =R 2 =R 3 και C 1 =C 2 =C 3. Η γωνία αγωγιµότητας µειώνεται όταν αυξηθεί η τιµή των αντιστάσεων R1, R 2, R 3 και αυξάνεται όταν µειωθεί η τιµή τους. ΤΕΙ - ΧΑΛΚΙ ΑΣ

14 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 14 O ελεγχόµενος διακόπτης πυριτίου SCS (Silicon Controlled Switch) Άνοδος G K Q 1 on +V R A I Καθοδική πύλη (G Κ ) G A Q 2 on Kάθοδος Κατάσταση αγωγιµότητας (ON) Άνοδος (Α) Κάθοδος (Κ)) Ανοδική πύλη (G A ) Άνοδος G K Q 1 +V R A + G A off Q I=0 2 off Kάθοδος Κατάσταση µη αγωγιµότητας (OFF) Οι εφαρµογές των SCS είναι οι ίδιες µε των SCR. To SCS πλεονεκτεί στον χρόνο αποκοπής σε σύγκριση µε το SCR. Ο χρόνος αποκοπής ενός τυπικού SCS είναι περίπου 1-10 µsec, ενώ ο αντίστοιχος χρόνος ενός τυπικού SCR είναι 5-30 µsec.

15 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 15 Το Diac Στερεά κατάσταση Γίνεται αγώγιµο Ηλεκτρονικός Συµβολισµός -V BO Χαρακτηριστική καµπύλη V BO όταν η τάση µεταξύ των δύο ηλεκτροδίων του, ασχέτου πολικότητας, ξεπεράσει την τάση εκκίνησης V BO. Σταµατάει να είναι αγώγιµο όταν η τιµή του ρεύµατος γίνει µικρότερη από την τιµή του ρεύµατος συγκράτησης Ι Η.

16 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 16 Το Triac Συµβολισµός στερεάς κατάστασης BO BO BO Ηλεκτρονικός συµβολισµός Χαρακτηριστική καµπύλη του triac BO BO BO

17 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 17 Σηµείο σκανδαλισµού (ρυθµίζεται από την R 1 ) Το triac άγει Γωνία αγωγιµότητας (α) Ρύθµιση της γωνίας αγωγιµότητας µε θετικούς παλµούς Σηµείο σκανδαλισµού (β) Ρύθµιση του σηµείου σκανδαλισµού (ή της γωνίας αγωγιµότητας) µε µεταβλητή αντίσταση

18 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 18 Το τρανζίστορ µιας επαφής (UJT) Βάση 2 Εκποµπός Βάση 1 p n Συµβολισµός στερεάς κατάστασης E B 2 B 1 Ηλεκτρονικός συµβολισµός

19 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 19 Χαρακτηριστική καµπύλη UJT V E V P V V I P I V I E Συνήθως χρησιµοποιείται σαν στοιχείο σκανδαλισµού των SCRs και triacs. Άλλες εφαρµογές: σε κυκλώµατα ταλαντωτών, πριονωτών τάσεων, χρονιστών, κ.α.

20 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 20 R 1 C V E +V BB R 2 Ταλαντωτής ανατροπής V R2 V P V V V R2 Στο παρακάτω σχήµα ο χρόνος φόρτισης t φ του πυκνωτή εξαρτάται από την τιµή της R 1. Ο χρόνος εκφόρτισης από τη R 2. VBB VP VBB V Για σωστή λειτουργία: > R1 > I I V E P t φ Έξοδοι ταλαντωτή V t t

21 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 21 Κύκλωµα ελέγχου AC ισχύος µε UJT και SCR Οι παλµοί σκανδαλισµού θέτουν σε λειτουργία το SCR. Η χρονική στιγµή σκανδαλισµού, R 1 Rάρα 3 και ο χρόνος λειτουργίας του SCR, εξαρτάται από την UJT τιµή της R 2. R 2 Ι φορτ V R4 C 1 H R 2 έχει σχετικά µικρή τιµή R 4 SCR Φορτίο t t Ι φορτ

22 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 22 Ι φορτ V R4 H R 2 έχει σχετικά µεγάλη τιµή t t

23 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 23 Tο προγραµµατιζόµενο τρανζίστορ µιας επαφής (Programmable Unijunction Transistor (PUT) Άνοδος (Α) n n Πύλη (G) Κάθοδος (Κ) Συµβολισµός Έχει πολλές οµοιότητες µε το SCR. Η βασική του διαφορά είναι ότι η τάση µεταξύ ανόδουπύλης µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να φέρει το PUT στην αγώγιµη κατάσταση ή στη διακοπή. Η πύλη πολώνεται πάντα ορθά σε σχέση µε την κάθοδο. Όταν το δυναµικό της ανόδου ξεπεράσει κατά 0,7 V το δυναµικό της πύλης, το PUT αρχίζει να άγει. Όταν το δυναµικό της ανόδου επανέλθει στην αρχική του τιµή το PUT σταµατάει να είναι αγώγιµο.

24 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 24 Παραγωγοί παλµών σκανδαλισµού µε PUT (α) Κύκλωµα (β) Παραγόµενοι παλµοί Το δυναµικό της πύλης (9V), ρυθµίζεται (προγραµµατίζεται) από τον διαιρέτη τάσης R 2, R 3. Με την εφαρµογή των 18 V, ο C αρχίζει να φορτίζεται προς την τάση αυτή. Την ίδια στιγµή η R 4 δεν διαρρέεται από ρεύµα, V Κ είναι 0 V. Όταν η τάση φόρτισης (=V A ) φτάσει την τιµή V G +0,7 V, το PUT αρχίζει να άγει. Η R 4 διαρρέεται τώρα απότοµα από ρεύµα και η V K αυξάνεται απότοµα. Την ίδια στιγµή κλείνει το κύκλωµα "C-γη-R 4 -PUT" C να αρχίζει να εκφορτίζεται µέσω της εσωτερικής αντίστασης του PUT και της R 4. Η µορφή της V K ακολουθεί τη µορφή της τάσης εκφόρτισης V A. Όταν ο C εκφορτιστεί διακόπτεται η λειτουργία του PUT και αρχίζει νέος κύκλος λειτουργίας.

25 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 25 Βιοµηχανική εφαρµογή PUT DC Εκποµπή Ανιχνευτής Ηλεκτρονικό Τροφοδοτικό υπεριώδους υπεριώδους κύκλωµα ακτινοβολίας ακτινοβολίας Η λειτουργία του συστήµατος Σχηµατικό διάγραµµα µηχανικού διαδρόµου µε ηλεκτρονικό σύστηµα ανίχνευσης αντικειµένων Κινητήρας Κύκλωµα ελέγχου στροφών κινητήρα 220 O αριθµός των στροφών του κινητήρα ελέγχεται από κατάλληλο ηλεκτρονικό κύκλωµα. Τα αντικείµενα, διακόπτουν τη ροή της υπεριώδους δέσµης. Κάθε διακοπή µετατρέπεται σε τάση η οποία τροφοδοτεί τον κινητήρα ελέγχοντας τις στροφές του.

26 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 26 Το κύκλωµα ελέγχου στροφών dc κινητήρα Το ποτενσιόµετρο των 50 Ω ρυθµίζει το δυναµικό της ανόδου του PUT. Στην πύλη του PUT εφαρµόζεται η τάση που αναλογεί στον αριθµό των αντικειµένων που προσµετρούνται. Η τάση αυτή προσδιορίζει το σηµείο της περιόδου της ΑC τάσης που το CR γίνεται αγώγιµο. Όσο µεγαλύτερη είναι η τάση τόσο ο αριθµός στροφών του κινητήρα µειώνεται. Όσο µικρότερη είναι η τάση τόσο ο αριθµός στροφών του κινητήρα αυξάνεται. 220 Ο κινητήρας συνδέεται εξωτερικά στην πλακέτα

27 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 27 Ο φωτοδιεγερόµενος ελεγχόµενος ανορθωτής πυριτίου [Light-Activated SCR (LASCR)] (α) Συµβολισµός (β) Μορφές LACR S Συναγερµός κινητήρας, φωτισµός κ.α. Eίναι ένα SCR το οποίο µπορεί να διεγερθεί από ακτίνα φωτός που προσπίπτει στην επιφάνειά του. Η ευαισθησία του στο φως είναι µέγιστη όταν δεν συνδεθεί η πύλη του και µειώνεται όταν µεταξύ πύλης και καθόδου συνδεθεί µια αντίσταση. Στο κύκλωµα το LASCR διεγείρεται από δέσµη φωτός που εκπέµπεται από λαµπτήρα που λειτουργεί όταν κλείσει ο διακόπτης ασφάλειας S (πχ πόρτα, παράθυρο κλπ). Με τη διέγερση του LASCR ρέει ρεύµα στο κύκλωµα και λειτουργεί το ρελέ δραστηριοποιώντας τους εξαρτώµενους µηχανισµούς (πχ συναγερµός, κινητήρας, φωτισµός κλπ).

28 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 28 Κύκλωµα ενεργοποίησης λαµπτήρων Το κύκλωµα ενεργοποιεί µια συσκευή ή µια σειρά λαµπτήρων, που τοποθετούνται στη θέση "φορτίο". Η φωτοαντίσταση µε την αντίσταση των 10Κ αποτελούν έναν διαιρέτη τάσης για τη πηγή. Ο συνδυασµός του διαιρέτη τάσης µε τον πυκνωτή των 50 nf, ρυθµίζει τη γωνία εκκίνησης του SCR. Ο πυκνωτής των 100 nf µε την αντίσταση των 100 Ω αποτελούν φίλτρο καταστολής ραδιοφωνικών συχνοτήτων που τυχόν επηρεάζουν άλλες συσκευές. Όταν ο φωτισµός είναι χαµηλός, η φωτοαντίσταση παρουσιάζει µεγάλη τιµή, οπότε η τάση του DIAC αυξάνει µε αποτέλεσµα, τελικά το ρεύµα που οδηγείται στην πύλη του θυρίστορ µέσω του DIAC να αποκτά µεγάλη τιµή. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα να µικραίνει το σηµείο εκκίνησης του θυρίστορ, οπότε τελικά αυτό άγει, µε αποτέλεσµα οι λάµπες του φορτίου να διαρέονται από ρεύµα.

29 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 29 Άσκηση Για να αρχίσει να άγει το SCR του κυκλώµατος θα πρέπει V G =0.7 V I G =5 ma. Είναι: Ι Η =8 ma, R G =1 KΩ, R C =100 Ω και V CC =20 V. Να προσδιοριστεί η τάση εξόδου V Ο, όταν το SCR είναι σε κατάσταση OFF. Να υπολογιστεί η τάση εισόδου για την οποία το SCR µεταβαίνει στην κατάσταση ΟΝ. Ποία θα πρέπει να είναι η τάση τροφοδοσίας για να µεταβεί το SCR σε κατάσταση OFF, όταν στην κατάσταση ΟΝ το SCR διατηρεί στα άκρα του τάση 0.7 V. Λύση Στην κατάσταση OFF το SCR δεν άγει. Η τάση εξόδου να είναι 20 V. Για να µεταβεί στη κατάσταση ΟΝ, θα πρέπει ( 5mA) ( 1KΩ ) = 0.7V + 5V 5.7V Vin = V + I R = 0.7V + = G G G Για να µεταβεί στην κατάσταση OFF θα πρέπει το ρεύµα να ελαττωθεί στο ρεύµα συγκράτησης, δηλαδή ( 8mA) ( 100Ω) = 0.7V + 0.8V 1.5V VCC = V + I RC = 0.7V + = H H

30 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 30 Άσκηση Στο κύκλωµα δίδεται R 1 =12 Ω, R 2 =68 ΚΩ, R 3 =2 ΚΩ, C=1 µf, V=80 V, η τάση διάσπασης του DIAC είναι 35 V και η τάση και ρεύµα σκανδαλισµού του TRIAC 1 V και 10 ma. α) Ποιο θα είναι το ρεύµα το οποίο διαρρέει το TRΙAC όταν βρίσκεται στην κατάσταση ΟΝ. β) Ποια είναι η ελάχιστη τάση του πυκνωτή C, που προκαλεί σκανδαλισµό του TRIAC.

31 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 31 Λύση α) Θεωρούµε ότι η τάση στα άκρα του TRIAC είναι µηδέν όταν βρίσκεται σε κατάσταση ΟΝ. Έτσι I = V R 1 = 80V 12Ω = 6.67A β) Ο πυκνωτής φορτίζεται µέσω της R 2. Για να γίνει σκανδαλισµός του TRIAC θα πρέπει η τάση στα άκρα του DIAC να υπερβεί την τάση διάσπασης. Επειδή η τάση σκανδαλισµού του TRIAC είναι 1V και η τάση διάσπασης του DIAC 35 V θα έχουµε: VC = V + VT = 35V + 1V = BO 36V Αυτή είναι η ελάχιστη τάση η οποία προκαλεί σκανδαλισµό στο TRIAC.

32 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 32 Άσκηση Να υπολογιστεί η τιµή της R για την οποία το SCR σταµατάει να είναι αγώγιµο. ίνονται Ι Η =10 mα και V ανοδ.-καθ. =0,7 V.

33 Λύση 6. Θυρίστορ - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφανεια 33 Kανόνας των τάσεων του Kirchhoff: 30 V = IR +0,7 V R 30 V I 0,7 V = (1) Για SCR OFF πρέπει Ι < Ι Η Ι< 10 ma (2) Από (1), (2) 30 V 0,7 V 29,3 V R > = = 10 ma 10 ma 2930 Ω