principes et Circuits SCR

fonctionnement de base et circuits d’application pratique pour SCRs.

un redresseur contrôlé par silicium (SCR) est un commutateur d’alimentation CC à semi – conducteurs auto-verrouillable de moyenne à haute puissance contrôlable. Cet article explique son fonctionnement de base et montre quelques façons pratiques de l’utiliser.

SCR bases

FIGURE 1., Symboles SCR alternatifs (a) et circuit équivalent SCR (b).	FIGURE 2. Manière de base d’utiliser un SCR comme commutateur CC.

Un SCR est un dispositif semi-conducteur de silicium PNPN à quatre couches. Il possède trois bornes externes (anode, grille et cathode) et utilise les symboles alternatifs de la Figure 1(a) et possède le circuit équivalent transistor de la Figure 1(b). La Figure 2 montre la façon de base d’utiliser le SCR comme commutateur CC, avec l’anode positive par rapport à la cathode, et le SCR commandé via sa grille., Les caractéristiques de base du SCR peuvent être comprises à l’aide de ces diagrammes, comme suit:

1. lorsque l’alimentation est d’abord appliquée au SCR en fermant S1 sur la Figure 2, Le SCR est « bloqué » et agit (entre anode et cathode) comme un interrupteur ouvert. Cette action est impliquée par la Figure 1 (b), c’est-à-dire que le courant de base de Q2 est dérivé du collecteur Q1, et le courant de base de Q1 est dérivé du collecteur Q2 ou de la borne de grille; dans ce dernier cas, aucun courant de base n’est disponible, de sorte que les deux transistors,
2. Le SCR peut être activé et fait pour agir comme un redresseur de silicium polarisé vers l’avant en lui appliquant brièvement du courant de grille via S2; Le SCR se verrouille rapidement (en quelques microsecondes) dans l’état on dans cette condition, et reste allumé même lorsque le lecteur de grille est retiré. Cette action est impliquée par la Figure 1 (b); Le courant de grille initial allume Q1, et le courant de collecteur de Q1 allume Q2, et le courant de collecteur de Q2 maintient alors Q1 même lorsque l’entraînement de grille est retiré: un potentiel de « saturation » d’environ 1V est généré entre l’anode et la cathode,
3. seule une brève impulsion de courant de grille est nécessaire pour activer le SCR. Une fois que le SCR s’est auto-verrouillé, il ne peut être éteint qu’en réduisant brièvement son courant d’anode en dessous d’une certaine valeur de « courant de maintien minimum » (typiquement, quelques milliampères); dans les applications CA, l’arrêt se produit automatiquement au point de passage à zéro dans chaque demi-cycle.
4. Un gain de courant considérable est disponible entre la porte et l’anode du SCR, et de faibles valeurs de courant de porte (généralement quelques mA ou moins) peuvent contrôler des valeurs élevées de courant d’anode (jusqu’à des dizaines d’ampères)., La plupart des SCRs ont des anodes de centaines de volts. Les caractéristiques de la grille SCR sont similaires à celles d’une jonction base-émetteur de transistor (voir Figure 1(b)).
5. Une capacité interne (quelques pF) existe entre l’anode et la porte du SCR, et une tension en forte hausse apparaissant sur l’anode peut provoquer une percée de signal suffisante à la porte pour déclencher le SCR. Cet effet de « taux » peut être causé par des transitoires de la ligne d’alimentation, etc. Les problèmes de taux-effet peuvent être surmontés en câblant un réseau de lissage C-R entre l’anode et la cathode, pour limiter le taux de montée à une valeur sûre.,

circuits de commutation D’alimentation CA

La Figure 3 montre un SCR utilisé dans une application de commutation D’alimentation CA; des valeurs de composants alternatifs sont indiquées pour une utilisation avec des alimentations 240V ou (entre parenthèses) 120V AC. Le signal de la ligne D’alimentation CA est rectifié en pleine onde via D1-D4 et appliqué à l’anode SCR via la charge de lampe LP1.

FIGURE 3. Circuit SCR marche-arrêt pleine onde avec charge D’alimentation CC.	FIGURE 4., Circuit SCR marche-arrêt pleine onde avec charge D’alimentation CA.

Si S1 est ouvert, la SCR et la lampe sont hors tension. Si S1 est fermé, R1-R2 applique la commande de grille au SCR, qui s’allume et s’auto-verrouille juste après le début de chaque demi-cycle, puis s’éteint à nouveau automatiquement à la fin du demi-cycle lorsque son courant direct tombe en dessous de la valeur de maintien minimale. Ce processus se répète dans chaque demi-cycle, et la lampe fonctionne ainsi à pleine puissance dans cette condition.,

l’anode SCR tombe à environ 1 V lorsque le SCR est allumé, donc S1 et R1-R2 consomment peu de puissance moyenne. Notez que la charge de la lampe est représentée placée du côté CC du pont redresseur, et ce circuit est ainsi représenté pour une utilisation avec des charges CC; il peut être modifié pour une utilisation avec des charges CA en plaçant simplement la charge du côté CA du pont, comme sur la Figure 4.,

notez que les SCRs peuvent également être utilisés, de diverses manières, pour appliquer une alimentation variable en courant alternatif à différents types de charge, mais que ces tâches sont généralement mieux exécutées par des TRIACs, comme cela sera décrit dans un article futur; deux types spéciaux de circuits de commande de courant alternatif variable SCR sont, cependant, présentés à la fin

Circuits D’alarme cloche/sonnerie

FIGURE 5. Circuit d’alarme SCR de base.

la FIGURE 6. Circuit d’alarme sans verrouillage à entrées multiples.,

la FIGURE 7. Alarme de panique à verrouillage automatique à entrées multiples.

Une application utile du SCR est dans les circuits « d’alarme » alimentés en courant continu qui utilisent des charges auto-interruptrices telles que des cloches ou des buzzers; ces charges comprennent un solénoïde et un commutateur en série, et donnent une action dans laquelle le solénoïde tire d’abord vers l’avant via le commutateur fermé, et ce faisant, force le commutateur à s’ouvrir, faisant ainsi retomber le solénoïde et refermer le commutateur, redémarrant ainsi l’action, et ainsi de suite.,

la Figure 5 montre un tel circuit d’alarme; il donne effectivement une action d’entraînement de charge non verrouillable, puisque le SCR se déverrouille automatiquement à chaque Auto-interruption de la charge. Le circuit peut être entièrement auto-verrouillé, si désiré, en shuntant la charge avec la résistance R3, comme illustré, de sorte que le courant D’anode SCR ne tombe pas en dessous de la valeur de maintien minimale de la SCR lorsque la charge s’auto-interrompt.

Les Figures 6 à 14 montrent une sélection de circuits d’alarme de ce type. Tous ces éléments sont conçus autour du SCR de type C106 peu coûteux, qui peut gérer des courants de charge moyens jusqu’à 2.,5 ampères, a besoin d’un courant de grille de moins de 200mA, et a une valeur de « courant de maintien minimum » de moins de 3mA. Notez dans tous les cas que la tension d’alimentation doit être supérieure d’environ 1,5 V à la tension de fonctionnement normale du dispositif d’alarme utilisé, pour compenser les pertes de tension dans le SCR, et que la diode D1 est utilisée pour amortir les effets indésirables de l’alarme.

la Figure 6 montre une simple alarme multi-entrées non verrouillable, dans laquelle l’alarme s’active lorsque l’un des commutateurs d’entrée à bouton-poussoir S1 à S3 est fermé, mais cesse de fonctionner dès que l’interrupteur est relâché.,

la Figure 7 montre le circuit ci-dessus converti en alarme « panique » multi-entrées auto-verrouillable en câblant R3 plus le commutateur de réinitialisation normalement fermé S4 en parallèle avec le dispositif d’alarme. Une fois ce circuit verrouillé, il peut être déverrouillé à nouveau (reset) en ouvrant brièvement S4.

la Figure 8 montre un système d’alarme antivol simple, avec l’installation « panique ». L’alarme peut être activée en ouvrant brièvement l’un des interrupteurs « antivol » S1 à S3 (qui peuvent être des relais à lames ou des microrupteurs activés par l’action de l’ouverture des portes ou des fenêtres, etc.,), ou en fermant brièvement l’un des commutateurs « panique ». C1 agit comme un antibruit qui garantit que l’alarme ne s’active que si les commutateurs S1 à S3 sont maintenus ouverts pendant plus d’une milliseconde environ, améliorant ainsi la fiabilité du circuit. Le circuit consomme un courant de veille typique de 0,5 mA (via R1) à partir d’une alimentation 6V.

FIGURE 8., Système d’alarme antivol Simple, avec installation de panique.	FIGURE 9. Circuit d’alarme antivol amélioré.

Le courant de veille du circuit d’alarme antivol peut être réduit à seulement 1,4 mA (à 6 V) en le modifiant comme indiqué sur la Figure 9, où Q1 et Q2 sont connectés en tant Qu’amplificateur Darlington common emitter passe-le à la porte du SCR., Ici, C1 est utilisé comme un composant temporisé qui garantit que l’alarme ne s’active que si les commutateurs S1 à S3 sont maintenus ouverts pendant plus de quelques secondes; la valeur C1 peut être considérablement réduite, si vous le souhaitez.

alarmes D’eau, de lumière et de chaleur

le circuit d’alarme SCR de base peut être utilisé pour indiquer la présence d’un excès d’eau, de lumière ou de niveaux de température en actionnant la porte SCR via des circuits de détection appropriés; les Figures 10 à 14 montrent des circuits d’alarme de ce type.,

L’alarme « water-activated » de la Figure 10 utilise Q1 pour activer le SCR lorsqu’une résistance inférieure à environ 220K apparaît sur les deux sondes métalliques. Son fonctionnement en tant qu’alarme activée par l’eau repose sur le fait que les impuretés de l’eau normale (et de nombreux autres liquides et vapeurs) la font agir comme un milieu conducteur avec une résistance électrique modérément faible, ce qui provoque l’activation de l’alarme lorsque l’eau entre en contact simultanément avec les deux sondes.,

FIGURE 10. Water-activated alarm.	FIGURE 11. Light-activated alarm.

C1 suppresses unwanted AC signal pick-up, and R2 limits Q1’s base current to a safe value., En ajustant convenablement la mise en place des deux sondes métalliques, ce circuit peut être utilisé pour déclencher une alarme lorsque l’eau monte au-dessus d’un niveau prédéfini dans un bain, un réservoir ou une citerne, etc.

la Figure 11 est un circuit « activé par la lumière » qui peut être utilisé pour déclencher une alarme lorsque la lumière pénètre dans une zone Normalement sombre, telle qu’un tiroir ou un coffre-fort mural, etc., Le LDR et le RV1 forment un diviseur de potentiel sensible à la lumière dont la sortie est tamponnée via Q1 et envoyée à la grille SCR via R1; cette sortie est faible dans des conditions sombres (la résistance LDR est élevée), mais devient élevée dans des conditions lumineuses (la résistance LDR est faible), et active ainsi le SCR et l’alarme; le point de déclenchement de la lumière peut être préréglé via RV1. Presque toutes les petites cellules photoélectriques au sulfure de cadmium peuvent être utilisées en position LDR.

Les alarmes activées par la température peuvent être utilisées pour indiquer des conditions d’incendie ou de surchauffe, ou des conditions de gel ou de sous-chaleur., Les Figures 12 à 14 montrent trois de ces circuits; dans chacun D’entre eux, TH1 peut être n’importe quelle thermistance NTC qui a une résistance comprise entre 1k0 et 20K à la température de déclenchement requise; le pot préréglé RV1 a besoin d’une valeur de résistance maximale à peu près double de celle de TH1

L’alarme de surchauffe de la Figure 12 utilise R1-R2 et TH1-RV1 comme pont de Wheatstone dans lequel R1-R2 génère une tension « de référence » de demi-alimentation fixe et TH1-RV1 génère une tension « variable » sensible à la température, et Q1 est utilisé comme détecteur d’équilibre de pont, RV1 est réglé de telle sorte que les tensions « de référence » et « variable » soient égales à une température juste inférieure à la valeur de déclenchement requise, et dans cette condition, la base Q1 et l’émetteur sont à des tensions égales et Q1 et le SCR sont ainsi coupés.

FIGURE 12. Alarme de surchauffe Simple.	FIGURE 13. Alarme simple de gel ou de sous-température.,

lorsque la température TH1 dépasse cette valeur de « balance », la tension TH1-RV1 tombe en dessous de la valeur de « référence », de sorte que Q1 devient polarisée vers l’avant et active le SCR, sonnant ainsi l’alarme. Le point de déclenchement précis peut être préréglé via RV1.

l’action du circuit peut être inversée, de sorte que l’alarme s’allume lorsque la température tombe en dessous d’un niveau prédéfini, en transposant simplement les positions TH1 et RV1 comme indiqué dans le circuit d’alarme de gel ou de sous-température de la Figure 13.,

la FIGURE 14. Alarme de surchauffe de précision.

notez dans ces deux circuits que si TH1 et Q1 ne sont pas montés dans le même environnement, les points de déclenchement précis sont soumis à de légères variations avec des changements de température Q1, en raison de la dépendance en température de ses caractéristiques de jonction base-émetteur. Ces circuits ne sont donc pas adaptés à une utilisation dans des applications de précision, sauf si Q1 et TH1 fonctionnent à des températures égales.,

Cet accroc peut être surmonté en utilisant un détecteur différentiel à deux transistors à la place de Q1, comme illustré sur la figure 14 alarme de surchauffe, qui peut être faite pour agir comme une alarme de sous-température de précision en transposant simplement RV1 et TH1.

contrôle variable de l’alimentation CA

tous les circuits SCR montrés jusqu’à présent donnent une forme on / off de contrôle de l’alimentation. SCRs (et TRIACs) peuvent être utilisés pour donner un contrôle de puissance variable dans les circuits CA de plusieurs façons., L’un d’entre eux est via la technique de « commutation à retard de phase » de la Figure 15, dans laquelle la puissance est alimentée à la charge via un interrupteur d’alimentation à semi-conducteurs auto-verrouillable qui peut être déclenché (via un réseau à retard de phase variable et un générateur d’impulsions de déclenchement) à n’importe quel point de chaque Le diagramme montre les formes d’onde de tension de charge qui peuvent être générées.

la FIGURE 15. Contrôleur de courant alternatif à commutation à retard de phase Variable avec formes d’onde.,

ainsi, si l’interrupteur d’alimentation est déclenché vers le début de chaque demi-cycle (avec un retard de phase proche de 0°), la tension de charge moyenne est presque égale à la valeur d’alimentation complète, et la charge consomme une puissance proche du maximum; si elle est déclenchée vers la fin de chaque demi-cycle (avec un retard de phase proche de 180°), la tension de charge moyenne est proche de zéro, et la charge consomme une puissance minimale; en faisant varier le retard de phase du signal de déclenchement entre ces extrêmes, l’alimentation de la charge peut varier entre zéro et maximum.,

Cette forme de commande de puissance variable est très efficace (typiquement 95%), et peut (entre autres) être utilisée pour contrôler les vitesses de nombreux types de moteurs électriques, y compris ceux des perceuses électriques et des trains miniatures (voir Figures 16 et 17).

Une perceuse-régulateur de vitesse

la FIGURE 16. Contrôleur de vitesse de perceuse électrique.

La plupart des perceuses électriques sont alimentées par des moteurs électriques « universels » (AC / DC) enroulés en série., Ces moteurs génèrent une contre-CEM proportionnelle à la vitesse du moteur, et la tension appliquée effective du moteur est donc égale à la vraie tension appliquée moins la contre-CEM; cela donne au moteur un degré d’autorégulation de la vitesse, car toute augmentation de la charge du moteur tend à réduire la vitesse et la contre-CEM, augmentant ainsi la tension appliquée effective et faisant monter la vitesse du moteur vers sa valeur initiale, et ainsi de suite.

la vitesse d’une perceuse électrique peut être modifiée électroniquement en utilisant la technique de « commutation à retard de phase »., La Figure 16 montre un circuit régulateur de vitesse variable particulièrement efficace mais simple. Cela utilise un SCR comme élément de commande et alimente le moteur en puissance demi-onde (ce qui entraîne une réduction de 20% de la vitesse/puissance maximale disponible), mais dans les demi-cycles désactivés, la CEM arrière du moteur est détectée par le SCR et utilisée pour donner un réglage automatique de la prochaine impulsion de déclenchement, pour donner une régulation

le réseau R1-RV1-D1 ne fournit que 90° de réglage de phase, de sorte que toutes les impulsions du moteur ont des durées minimales de 90° et fournissent un couple très élevé., À basse vitesse, le circuit passe en mode « saut de cycle » à couple élevé, dans lequel des impulsions de puissance sont fournies par intermittence, pour s’adapter aux conditions de chargement du moteur.

régulateur de vitesse de train modèle

La Figure 17 montre comment la technique de « commutation à retard de phase » peut être utilisée pour créer un excellent régulateur de vitesse de train modèle 12 volts qui permet de faire varier la vitesse en douceur de zéro à maximum.

la FIGURE 17. Circuit de contrôleur de vitesse de train modèle avec protection automatique contre les courts-circuits.

Le courant de sortie maximum disponible est 1.,5 ampères, mais l’unité intègre des circuits de détection et de protection de court-circuit qui limitent automatiquement le courant de sortie à une valeur moyenne de seulement 100mA si un court-circuit se produit sur la piste. Le circuit fonctionne comme suit.

la tension de la ligne électrique du circuit est abaissée via T1 et rectifiée en pleine onde (pont) via BR1, pour produire une alimentation CC brute (non amorçée) qui est alimentée au train modèle (via les rails de voie) via le SCR connecté en série et l’interrupteur de commande de direction SW3.,

Au début de chaque demi-cycle CC brut, Le SCR est désactivé, de sorte que la tension continue est appliquée (via R4 et ZD1) au transistor Unijunction (UJT) Q1 et à son C1-RV1 associé (etc.) circuits de synchronisation, et C1 commence à charger jusqu’à ce que finalement l’UJT déclenche et déclenche le SCR; lorsque le SCR s’allume, il sature, retirant L’alimentation de Q1 (Qui se réinitialise ainsi) et alimentant le reste du demi-cycle de puissance au train modèle via R2//R3 (= R2 et R3 en parallèle)

ce processus de synchronisation/commutation se répète dans chaque demi-cycle CC brut (c.-à-d.,, à deux fois la fréquence de la ligne électrique), donnant une action classique de commande de puissance déclenchée par phase qui permet de faire varier la vitesse du train sur une large plage via RV1.

notez que le courant de sortie du circuit passe par R2 / R3, ce qui génère une tension de sortie proportionnelle qui est détectée en crête et stockée via D1-C2 et alimentée à la base Q2 via R8-R9.

l’action globale est telle que, en raison de L’action de stockage de tension de C2, Q2 s’allume et désactive le réseau de synchronisation de L’UJT (empêchant ainsi le SCR de se déclencher) pendant plusieurs demi-cycles si le courant de sortie de crête dépasse 1,5 ampères.,

ainsi, si un court-circuit se produit à travers la piste, le courant de sortie du demi-cycle est limité à une valeur de crête de quelques ampères par la résistance interne du circuit, mais les circuits de protection garantissent que le SCR ne se déclenche qu’une seule fois (disons) tous les 15 demi-cycles, limitant ainsi le courant de sortie

notez que L’UJT montré ici est un type tis43 obsolète, et qu’en pratique tout UJT tis43 ou 2n2646 presque équivalent peut être utilisé à sa place.

opto-couplées SCRs

la FIGURE 18., Contour typique (a) ET CARACTÉRISTIQUES (b) d’un SCR optocouplé.

la FIGURE 19. Contrôle haute puissance via un esclave SCR optocouplé.

Les SCRs sont des dispositifs de commutation de puissance à semi-conducteurs qui (comme les transistors) sont intrinsèquement photosensibles. Un SCR optocouplé est simplement un SCR et une LED montés dans un seul boîtier et configurés de sorte que le courant de grille du SCR soit contrôlé par la sortie optique de la LED, permettant ainsi au SCR d’être contrôlé par un courant d’entrée distant entièrement isolé électriquement des circuits de sortie (charge) du SCR.,

la Figure 18(a) montre le contour typique d’un SCR optocouplé monté dans un boîtier DIL à six broches, et la Figure 18(b) énumère les valeurs de paramètre typiques d’un tel dispositif, qui a un courant de charge de sortie moyen de seulement 300mA mais a un courant de surtension de 5A à une largeur

Les SCR Optocouplés sont très faciles à utiliser; la LED d’entrée est pilotée de la manière d’une LED normale, et la SCR est utilisée comme une SCR normale de faible puissance.,

l’application la plus importante du SCR optocouplé est un dispositif « esclave » qui contrôle le courant de grille d’un SCR haute puissance, qui peut activer une charge de n’importe quelle puissance nominale souhaitée. La Figure 19 montre un exemple de ce type d’application. NV