SCR Principi e Circuiti

Funzionamento di base e applicazione pratica circuiti per SCRs.

Un SCR (Silicon Controlled Rectifier) è un interruttore di alimentazione CC a stato solido auto – bloccante controllabile da media a alta potenza. Questo articolo spiega il suo funzionamento di base e mostra alcuni modi pratici di usarlo.

SCR nozioni di base

FIGURA 1., Simboli SCR alternativi (a) e circuito equivalente SCR (b).	FIGURA 2. Modo di base di utilizzare un SCR come un interruttore DC.

Un SCR è un dispositivo a semiconduttore in silicio PNPN a quattro strati. Ha tre terminali esterni (anodo, gate e catodo) e utilizza i simboli alternativi di Figura 1(a) e ha il circuito equivalente a transistor di Figura 1(b). Figura 2 mostra il modo di base di utilizzare l’SCR come un interruttore DC, con l’anodo positivo rispetto al catodo, e l’SCR controllato tramite il suo cancello., Le caratteristiche di base dell’SCR possono essere comprese con l’aiuto di questi diagrammi, come segue:

1. Quando l’alimentazione viene applicata per la prima volta all’SCR chiudendo S1 in Figura 2, l’SCR viene “bloccato” e agisce (tra anodo e catodo) come un interruttore aperto. Questa azione è implicita nella Figura 1 (b), cioè la corrente di base di Q2 deriva dal collettore Q1 e la corrente di base di Q1 deriva dal collettore Q2 o dal terminale di gate; in quest’ultimo caso, non è disponibile alcuna corrente di base, quindi entrambi i transistor sono tagliati e solo una piccola corrente di dispersione scorre,
2. L’SCR può essere acceso e fatto agire come un raddrizzatore al silicio prevenuto applicando brevemente la corrente di gate tramite S2; l’SCR si auto-blocca rapidamente (in pochi microsecondi) nello stato on in questa condizione e rimane acceso anche quando l’unità gate viene rimossa. Questa azione è implicita nella Figura 1(b); la corrente iniziale del gate si accende Q1 e la corrente del collettore di Q1 si accende Q2 e la corrente del collettore di Q2 tiene Q1 anche quando l’unità di gate viene rimossa: un potenziale di “saturazione” di 1V o giù di lì viene generato tra l’anodo e il catodo,
3. È necessario solo un breve impulso di corrente di gate per azionare l’SCR. Una volta che l’SCR si è auto-agganciato, può essere spento di nuovo solo riducendo brevemente la sua corrente anodica al di sotto di un certo valore di “corrente di mantenimento minima” (in genere, pochi milliampere); nelle applicazioni AC, lo spegnimento avviene automaticamente al punto di passaggio zero in ogni mezzo ciclo.
4. È disponibile un notevole guadagno di corrente tra il gate e l’anodo dell’SCR e bassi valori di corrente del gate (in genere pochi mA o meno) possono controllare valori elevati di corrente anodica (fino a decine di ampere)., La maggior parte SCR hanno anodo valutazioni di centinaia di volt. Le caratteristiche del gate SCR sono simili a quelle di una giunzione transistor base-emettitore (vedere Figura 1(b)).
5. La capacità interna (pochi pF) esiste tra l’anodo e il gate dell’SCR e una tensione in forte aumento che appare sull’anodo può causare una penetrazione del segnale sufficiente al gate per attivare l’SCR. Questo “effetto tasso” può essere causato da transitori della linea di alimentazione,ecc. I problemi di tasso-effetto possono essere superati collegando una rete di lisciatura C-R tra l’anodo e il catodo, per limitare il tasso di aumento a un valore sicuro.,

Circuiti di commutazione di alimentazione CA

La figura 3 mostra un SCR utilizzato in un’applicazione di commutazione di alimentazione CA; valori di componenti alternativi sono mostrati per l’uso con alimentatori CA 240V o (tra parentesi) 120V. Il segnale della linea di alimentazione CA viene rettificato a onda intera tramite D1-D4 e applicato all’anodo SCR tramite carico lampada LP1.

FIGURA 3. Circuito SCR on-off a onda intera con carico di alimentazione CC.	FIGURA 4., Circuito SCR on-off a onda intera con carico di alimentazione CA.

Se S1 è aperto, l’SCR e la lampada sono spenti. Se S1 è chiuso, R1-R2 applica gate drive all’SCR, che si accende e si auto-blocca subito dopo l’inizio di ogni semiciclo e poi si spegne automaticamente alla fine del semiciclo poiché la sua corrente diretta scende al di sotto del valore minimo di tenuta. Questo processo si ripete in ogni mezzo ciclo e la lampada funziona quindi a piena potenza in questa condizione.,

L’anodo SCR scende a circa 1V quando l’SCR è acceso, quindi S1 e R1-R2 consumano poca potenza media. Si noti che il carico della lampada è mostrato posizionato sul lato CC del raddrizzatore a ponte e questo circuito è quindi mostrato per l’uso con carichi CC; può essere modificato per l’uso con carichi CA semplicemente posizionando il carico sul lato CA del ponte, come in Figura 4.,

Si noti che gli SCR possono anche essere utilizzati, in vari modi, per applicare l’alimentazione CA variabile a vari tipi di carico, ma che questi compiti sono solitamente svolti al meglio dai TRIAC, come verrà descritto in un prossimo articolo; due tipi speciali di circuiti di controllo della potenza CA variabile SCR sono, tuttavia, mostrati alla fine del presente articolo.

Campana/buzzer circuiti di allarme

FIGURA 5. Circuito di allarme SCR di base.

FIGURA 6. Multi-ingresso non-latch circuito di allarme.,

FIGURA 7. Multi-ingresso self-latch allarme panico.

Un’applicazione utile dell’SCR è nei circuiti di “allarme” alimentati a corrente continua che utilizzano carichi auto-interrompenti come campane o cicalini; questi carichi comprendono un solenoide e un interruttore di serie, e danno un’azione in cui il solenoide spara prima in avanti tramite l’interruttore chiuso, e così facendo, costringe l’interruttore ad aprirsi, facendo così ricadere il solenoide e richiudere l’interruttore, riavviando così l’azione, e così via.,

La figura 5 mostra un tale circuito di allarme; dà effettivamente un’azione di azionamento del carico non bloccante, poiché l’SCR si sblocca automaticamente ogni volta che il carico si interrompe automaticamente. Il circuito può essere reso completamente auto-bloccante, se lo si desidera, smistando il carico con resistore R3, come mostrato, in modo che la corrente dell’anodo SCR non scenda al di sotto del valore minimo di tenuta dell’SCR mentre il carico si interrompe automaticamente.

Le figure da 6 a 14 mostrano una selezione di circuiti di allarme di questo tipo. Tutti questi sono progettati intorno al tipo economico C106 SCR, che può gestire correnti di carico medie fino a 2.,5 ampere, ha bisogno di una corrente di gate inferiore a 200 Ma e ha un valore di “corrente di mantenimento minima” inferiore a 3 MA. Si noti in tutti i casi che la tensione di alimentazione deve essere di circa 1,5 V superiore alla normale tensione di funzionamento del dispositivo di allarme utilizzato, per compensare le perdite di tensione attraverso l’SCR, e che il diodo D1 viene utilizzato per smorzare i back-EMF dell’allarme.

La figura 6 mostra un semplice allarme multi-input non bloccante, in cui l’allarme si attiva quando uno qualsiasi degli interruttori di ingresso a pulsante da S1 a S3 è chiuso, ma smette di funzionare non appena l’interruttore viene rilasciato.,

La figura 7 mostra il circuito sopra riportato convertito in un allarme “panico” multi-ingresso auto-bloccante collegando R3 più l’interruttore di reset normalmente chiuso S4 in parallelo con il dispositivo di allarme. Una volta che questo circuito si è agganciato, può essere sbloccato di nuovo (reset) aprendo brevemente S4.

La figura 8 mostra un semplice sistema di allarme antifurto, completo di impianto’ panic’. L’allarme può essere attivato aprendo brevemente uno qualsiasi degli interruttori antifurto da S1 a S3 (che possono essere relè reed o microinterruttori attivati dall’azione di apertura di porte o finestre, ecc.,), o chiudendo brevemente uno qualsiasi degli interruttori ‘panico’. C1 agisce come un soppressore del rumore che assicura che l’allarme si attivi solo se gli interruttori da S1 a S3 sono tenuti aperti per più di un millisecondo o giù di lì, migliorando così l’affidabilità del circuito. Il circuito consuma una tipica corrente di standby di 0,5 mA (tramite R1) da un’alimentazione a 6V.

FIGURA 8., Sistema di allarme antifurto semplice, con impianto di panico.	FIGURA 9. Circuito di allarme antifurto migliorato.

La corrente di standby del circuito antifurto può essere ridotta a soli 1,4 mA (a 6V) modificandola come mostrato in Figura 9, dove Q1 e Q2 sono collegati come un amplificatore emettitore comune Darlington che inverte e potenzia il segnale ‘antifurto’ derivato da R1 e poi lo al cancello dell’SCR., Qui, C1 viene utilizzato come componente di ritardo temporale che assicura che l’allarme si attivi solo se gli interruttori da S1 a S3 vengono tenuti aperti per più di alcuni secondi; il valore C1 può essere notevolmente ridotto, se lo si desidera.

Allarmi acqua, luce e calore

Il circuito di allarme basato su SCR di base può essere utilizzato per indicare la presenza di acqua in eccesso, luce o livelli di temperatura azionando il gate SCR tramite opportuni circuiti di rilevamento; Le figure da 10 a 14 mostrano circuiti di allarme di questo tipo.,

La Figura 10 allarme ‘acqua-attivato’ utilizza Q1 per attivare l’SCR quando una resistenza inferiore a circa 220k appare attraverso le due sonde metalliche. Il suo funzionamento come allarme attivato dall’acqua si basa sul fatto che le impurità presenti nell’acqua normale (e in molti altri liquidi e vapori) lo rendono un mezzo conduttivo con una resistenza elettrica moderatamente bassa, che provoca quindi l’attivazione dell’allarme quando l’acqua entra in contatto con entrambe le sonde contemporaneamente.,

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., Regolando opportunamente il posizionamento delle due sonde metalliche, questo circuito può essere utilizzato per emettere un allarme quando l’acqua supera un livello preimpostato in un bagno, in un serbatoio o in una cisterna, ecc.

La figura 11 è un circuito “attivato dalla luce” che può essere utilizzato per suonare un allarme quando la luce entra in un’area normalmente buia come un cassetto o una cassaforte a parete, ecc., LDR e RV1 formano un divisore di potenziale sensibile alla luce che ha la sua uscita tamponata tramite Q1 e alimentata al gate SCR tramite R1; questa uscita è bassa in condizioni di buio (la resistenza LDR è alta), ma va alta in condizioni di luce (la resistenza LDR è bassa), e quindi aziona l’SCR e l’allarme; il punto di attivazione della luce può essere preimpostato tramite RV1. Quasi tutte le piccole fotocellule al solfuro di cadmio possono essere utilizzate nella posizione LDR.

Gli allarmi attivati dalla temperatura possono essere utilizzati per indicare condizioni di incendio o surriscaldamento, gelo o condizioni di surriscaldamento., Le figure da 12 a 14 mostrano tre di questi circuiti; in ognuno di questi, TH1 può essere qualsiasi termistore NTC che ha una resistenza nell’intervallo da 1k0 a 20k alla temperatura di trigger richiesta; il pot RV1 preimpostato richiede un valore di resistenza massimo approssimativamente doppio di quello di TH1 in questa condizione di trigger.

L’allarme di sovratemperatura Figura 12 utilizza R1-R2 e TH1-RV1 come ponte di Wheatstone in cui R1-R2 genera una tensione di riferimento fissa a metà alimentazione e TH1-RV1 genera una tensione variabile sensibile alla temperatura e Q1 viene utilizzato come rilevatore di bilanciamento del ponte e gate driver SCR., RV1 è regolato in modo che le tensioni “di riferimento” e “variabili” siano uguali a una temperatura appena al di sotto del valore di trigger richiesto, e in questa condizione, la base Q1 e l’emettitore sono a tensioni uguali e Q1 e l’SCR sono quindi tagliati.

FIGURA 12. Semplice allarme di temperatura eccessiva.	FIGURA 13. Semplice gelo o sotto-temperatura di allarme.,

Quando la temperatura TH1 supera questo valore di ‘equilibrio’, la tensione TH1-RV1 scende al di sotto del valore di ‘riferimento’, quindi Q1 diventa prevenuto e aziona l’SCR, dando così l’allarme. Il punto di innesco preciso può essere pre-impostato tramite RV1.

L’azione del circuito può essere invertita, in modo che l’allarme si attivi quando la temperatura scende al di sotto di un livello prestabilito, semplicemente trasponendo le posizioni TH1 e RV1 come mostrato nel circuito di allarme gelo o sotto temperatura di Figura 13.,

FIGURA 14. Allarme di temperatura eccessiva di precisione.

Si noti in questi due circuiti che se TH1 e Q1 non sono montati nello stesso ambiente, i punti di innesco precisi sono soggetti a lievi variazioni con variazioni della temperatura Q1, a causa della dipendenza della temperatura delle sue caratteristiche di giunzione base-emettitore. Questi circuiti non sono quindi adatti per l’uso in applicazioni di precisione, a meno che Q1 e TH1 funzionino a temperature uguali.,

Questo intoppo può essere superato utilizzando un rilevatore differenziale a due transistor al posto di Q1, come mostrato nella Figura 14 allarme di sovratemperatura, che può essere fatto per agire come un allarme di sottotemperatura di precisione semplicemente trasponendo RV1 e TH1.

Controllo di potenza CA variabile

Tutti i circuiti SCR mostrati finora forniscono una forma on / off di controllo della potenza. SCRs (e TRIAC) possono essere utilizzati per dare il controllo della potenza variabile nei circuiti CA in diversi modi., Uno di questi è tramite la tecnica ‘phase-delayed switching’ di Figura 15, in cui l’alimentazione viene alimentata al carico tramite un interruttore di alimentazione a stato solido auto-bloccante che può essere attivato (tramite una rete di ritardo di fase variabile e un generatore di impulsi di trigger) in qualsiasi punto di ogni semiciclo di potenza, e si sblocca automaticamente di nuovo alla fine di ogni semiciclo. Il diagramma mostra le forme d’onda di tensione di carico che possono essere generate.

FIGURA 15. Regolatore di corrente ALTERNATA variabile di phase-delay-switching con forme d’onda.,

Quindi, se l’interruttore è attivato in prossimità dell’inizio di ogni semestre-ciclo (con vicino a 0° ritardo di fase), la media della tensione di carico è uguale a quasi l’intero valore della tensione, e il carico consuma quasi il massimo della potenza; se è attivata vicino alla fine di ogni semestre-ciclo (con quasi 180° ritardo di fase), la media della tensione di carico è vicino a zero, e il carico consuma il minimo di potenza; variando il segnale di trigger del ritardo di fase tra questi due estremi, il carico di alimentazione può variare tra zero e massimo.,

Questa forma di controllo della potenza variabile è molto efficiente (tipicamente 95%) e può (tra le altre cose) essere utilizzata per controllare le velocità di molti tipi di motori elettrici, compresi quelli di trapani elettrici e treni modello (vedi Figure 16 e 17).

Un regolatore di velocità del trapano

FIGURA 16. Regolatore di velocità trapano elettrico.

La maggior parte dei trapani elettrici sono alimentati da serie-ferita ‘universale’ (AC / DC) motori elettrici., Questi motori generare un back-EMF, che è proporzionale alla velocità del motore, e il motore efficace della tensione applicata, quindi è uguale al vero tensione applicata meno la back-EMF; questo conferisce al motore un grado di velocità di auto-regolamentazione, dato che qualsiasi aumento motore di caricamento tende a ridurre la velocità e la back-EMF, aumentando così l’efficacia della tensione applicata, e causando la velocità del motore a salire verso il suo valore originale, e così via.

La velocità di un trapano elettrico può essere variata elettronicamente utilizzando la tecnica del “phase-delayed switching”., La figura 16 mostra un circuito di regolazione della velocità variabile particolarmente efficace ma semplice. Questo utilizza un SCR come elemento di controllo e alimenta la potenza a semionda al motore (questo provoca una riduzione del 20% della velocità/potenza massima disponibile), ma nei semicicli off, il back-EMF del motore viene rilevato dall’SCR e utilizzato per dare la regolazione automatica dell’impulso di gating successivo, per dare la regolazione automatica della velocità.

La rete R1-RV1-D1 fornisce solo 90° di regolazione della fase, quindi tutti gli impulsi del motore hanno una durata minima di 90° e forniscono una coppia molto elevata., A basse velocità, il circuito entra in una modalità “skip cycling” ad alta coppia, in cui gli impulsi di potenza vengono forniti in modo intermittente, per adattarsi alle condizioni di carico del motore.

Regolatore di velocità model-train

La figura 17 mostra come la tecnica di “phase-delayed switching” può essere utilizzata per realizzare un eccellente regolatore di velocità model-train da 12 volt che consente di variare la velocità senza problemi da zero a massimo.

FIGURA 17. Circuito di controllo della velocità del treno modello con protezione automatica da cortocircuito.

La corrente di uscita massima disponibile è 1.,5 ampere, ma l’unità incorpora corto circuito di rilevamento e circuiti di protezione che limita automaticamente la corrente di uscita ad un valore medio di soli 100mA se un corto si verifica in pista. Il circuito funziona come segue.

La tensione della linea elettrica del circuito viene abbassata tramite T1 e raddrizzata a onda intera (ponte) tramite BR1, per produrre un’alimentazione CC grezza (non liscia) che viene alimentata al treno modello (tramite le rotaie del binario) tramite l’SCR collegato in serie e l’interruttore di controllo della direzione SW3.,

All’inizio di ogni semiciclo DC grezzo, l’SCR è spento, quindi la tensione CC viene applicata (tramite R4 e ZD1) al transistor unijunction (UJT) Q1 e al suo associato C1-RV1 (ecc.) circuito di temporizzazione, e C1 inizia a caricare fino a quando alla fine l’UJT si accende e innesca l’SCR; quando l’SCR si accende, si satura, rimuovendo l’alimentazione da Q1 (che quindi si ripristina) e alimentando il resto del semiciclo di potenza al treno modello tramite R2//R3 (= R2 e R3 in parallelo) e SW3.

Questo processo di temporizzazione/commutazione si ripete in ogni semiciclo DC grezzo (ad es.,, al doppio della frequenza della linea elettrica), dando una classica azione di controllo della potenza innescata dalla fase che consente di variare la velocità del treno su un ampio intervallo tramite RV1.

Si noti che la corrente di uscita del circuito passa attraverso R2 / R3, che generano una tensione di uscita proporzionale che viene rilevata e memorizzata tramite D1-C2 e alimentata alla base Q2 tramite R8-R9.

L’azione complessiva è tale che, a causa dell’azione di memorizzazione della tensione di C2, Q2 si accende e disabilita la rete di temporizzazione dell’UJT (impedendo così l’attivazione dell’SCR) per diversi semicicli se la corrente di uscita di picco supera 1,5 ampere.,

Così, se un corto si verifica attraverso la pista, la corrente di uscita del mezzo ciclo è limitata ad un valore di picco di pochi ampere dalla resistenza interna del circuito, ma il circuito di protezione assicura che l’SCR spara solo una volta in (diciamo) ogni 15 semicicli, limitando così la corrente di uscita media a soli 100mA o giù di

Si noti che l’UJT mostrato qui è un tipo TIS43 obsoleto e che in pratica qualsiasi UJT TIS43 o 2N2646 quasi equivalente può essere usato al suo posto.

SCR optoisolati

FIGURA 18., Profilo tipico (a) e caratteristiche (b) di un SCR optoisolato.

FIGURA 19. Controllo ad alta potenza tramite uno slave SCR optoisolato.

Gli SCR sono dispositivi di commutazione di potenza a semiconduttore che (come i transistor) sono intrinsecamente fotosensibili. Un SCR optoisolato è semplicemente un SCR e un LED montato in un unico pacchetto e configurato in modo che la corrente di gate dell’SCR sia controllata dall’uscita ottica del LED, consentendo così all’SCR di essere controllato da una corrente di ingresso remota completamente isolata elettricamente dal circuito di uscita (carico) dell’SCR.,

La figura 18(a) mostra il profilo tipico di un SCR optoisolato montato in un pacchetto DIL a sei pin e la Figura 18(b) elenca i valori tipici dei parametri di tale dispositivo, che ha una corrente media di carico in uscita di soli 300 Ma ma ha una corrente di picco di 5A ad una larghezza di impulso di 100 Ms e un ciclo di lavoro dell ‘ 1%.

Gli SCR optoisolati sono molto facili da usare; il LED di ingresso è guidato nel modo di un normale LED e l’SCR viene utilizzato come un normale SCR a bassa potenza.,

L’applicazione più importante dell’SCR optoisolato è un dispositivo ‘slave’ che controlla la corrente di gate di un SCR ad alta potenza, che può attivare un carico di qualsiasi potenza nominale desiderata. La figura 19 mostra un esempio di questo tipo di applicazione. NV