SCR (Thyristor) entmystifiziert: Wie Silizium-gesteuerte Gleichrichter moderne Elektronik antreiben

Wir haben alle schon von einem Thyristor gehört, aber was ist mit dem beliebtesten Typ? Ein SCR (Silicon Controlled Rectifier), zu Deutsch siliziumgesteuerter Gleichrichter, fungiert als Schalter und bietet viele weitere Vorteile. Nicht nur bietet er AC-DC-Umwandlungsfähigkeiten, sondern zeigt auch die Fähigkeit, Leistung zu steuern. Diese bieten auch eine breite Palette von Anwendungen für Schaltungen und präsentieren mehr Kontrolle.

Einen SCR und seine Funktionsweise zu verstehen, kann ziemlich komplex erscheinen. Also fangen wir an! In diesem Artikel weisen wir Sie in die richtige Richtung, um mehr über dieses Bauelement zu erfahren.

Was ist SCR

SCR (Siliziumgesteuerter Gleichrichter) ist ein spezieller Thyristor mit EIN-AUS-Schaltfähigkeiten durch Bias-Bedingungen oder Gate-Eingangssteuerung. Sein Symbol sieht identisch aus wie eine Diode. Wie der Name andeutet, besteht er aus Silizium, das Leistung steuert und AC-Spannung in DC umwandelt. Zudem findet SCR mehr Implementierungen als andere Thyristor-Typen, einschließlich TRIAC, SCS und DIAC. Diese integrieren in einen AC-Stromkreis.

(Ein SCR-Symbol. Quelle: Tosaka/Wikimedia Commons)

Im Allgemeinen besteht der vierlagige PNPN SCR-Halbleiter aus drei Übergängen (J1, J2 und J3). Sie finden J1 zwischen der ersten P- und N-Schicht, J2 zwischen der N- und P-Schicht und schließlich J3 zwischen der letzten P- und N-Schicht. Drei Anschlüsse sichern die Anode (positive Elektrode auf der oberen P-Schicht), Kathode (auf der N-Schicht) und Gate. Zudem dient das Gate als Steueranschluss des SCR. Beide äußeren P- und N-Schichten werden stark dotiert, während die zentralen P- und N-Schichten leicht dotiert werden. Dann wird der Gate-Anschluss an die zentrale P-Schicht angeschlossen. Strom kann durch dieses unidirektionale Bauelement in eine Richtung fließen und in die entgegengesetzte Richtung blockieren.

Zusätzlich bietet dieses Bauelement hohe Betriebsgeschwindigkeiten, Langlebigkeit, hohe Spannung, Strombelastbarkeit und Leistungsverstärkung.

Wie SCR funktioniert

Siliziumgesteuerte Gleichrichter funktionieren ähnlich wie eine Diode: Sie blockieren Sperrstrom und leiten Vorwärtsstrom. Sie widerstehen auch hohen Spannungen. Darüber hinaus enthält dieses Bauelement ein Gate, um vorwärts gerichteten positiven Strom durch den Anodenanschluss (A) zu leiten. Das Anlegen eines kurzen Steuerimpulses an das Gate bewirkt, dass der SCR leitend wird zwischen dem Brückenpfad (Anode zu Kathode). Wenn das geschieht, fließt Anodenstrom durch ihn, bis der Wert null erreicht, was den SCR zwingt, abzuschalten. Dann muss das Gate einen weiteren Spannungssteuerimpuls erhalten, um es wieder leitend zu machen. Andernfalls benötigt es keine weitere Gate-Spannung, sobald es leitet.

Ein SCR arbeitet auch in drei Modi: Vorwärtsblockierung, Vorwärtsleitung und Sperrblockierung. Die Spannungsfestigkeit bleibt jedoch für Ein- und Sperrblockiermethoden gleich.

Das Auslösen des SCR zum EINSCHALTEN erfolgt in verschiedenen Methoden. Dazu gehören Spannungsauslösung, thermische Auslösung, Lichtauslösung und DV/DT-Auslösung.

Spannungsauslösung

(Anlegen von Spannung bewirkt die Aktivierung des SCR)

Die erste, Spannungsauslösung, beinhaltet das Anlegen einer Spannung über dem maximalen Punkt, wodurch das Gate-Terminal öffnet. Die Implementierung dieses Ansatzes könnte jedoch dauerhafte Schäden am Gerät verursachen. Das liegt daran, dass ein SCR die hohen Werte der Spannung steuert, die nicht funktionieren, während das Gate offen bleibt.

Thermische Auslösung

Thermische Auslösung bewirkt auch, dass das Bauelement leitet, wenn seine Temperatur steigt. Infolgedessen vergrößern sich die Loch- und Elektronenpaare. Als Ergebnis steigt der regenerative Strom an, was den SCR zur Aktivierung zwingt. Diese Auslösetechnik könnte jedoch thermischen Durchgang verursachen.

Lichtauslösung

Unterdessen beinhaltet Lichtauslösung das Bestrahlen der SCR-Oberfläche mit Licht, wodurch sich Elektronen- und Lochpaare vermehren. Dies zwingt das Gerät zur Aktivierung.

DV/DT-Auslösung

Eine hohe Spannungsänderungsrate zwischen Anode und Kathode schaltet den SCR auch EIN. Der schnelle Stromanstieg könnte jedoch das Gerät beschädigen. Daher empfehlen wir, Schutz für diesen Ansatz zu implementieren.

SCR-Anwendungen

SCR als Schalter

(Widerstände schützen die Dioden an einem AC-Leistungsschalterkreis)

Diese Anwendung beinhaltet die Nutzung von zwei SCRs, die einen Stromkreis erstellen und unterbrechen. AC-Eingangsspannung verteilt auslösende Triggerimpulse an die SCR-Gates. Zwei Widerstände halten beide Dioden sicher, während der am Gate verabreichte Widerstand den Strom reduziert. Der Stromkreis startet während des geschlossenen Zustands des Schalters. Dann löst SCR₁ während des positiven Halbzyklus aufgrund seines vorwärtsgepolten Zustands aus. Wenn der Stromwert null erreicht, deaktiviert sich das Bauelement. Danach feuert SCR₂ wegen der umgekehrten Spannungspolarität und empfängt den korrekten Strom. Das Öffnen des Schalters bewirkt, dass der Stromkreis unterbricht. Infolgedessen empfangen die SCRs keine Triggerimpulse mehr, während der Strom auf null gesetzt wird.

Daher kann ein herkömmlicher Schalter einen Gate-Strom von mA handhaben, was bedeutet, dass er den Laststrom aktivieren/deaktivieren kann.

Überspannungsschutz

(Ein SCR kann Überspannungsschutz in einer Schaltung bieten.)

Aufgrund seiner schnellen Schaltfähigkeit hält ein SCR andere elektronische Komponenten vor Überspannung sicher. Diese müssen parallel zur elektrischen Last angeschlossen werden. Wenn Überspannung auftritt, aktiviert sich das Gate des SCR. Dann zieht es Strom von den Stromquellen, was die Spannung der elektrischen Last senkt. Die Implementierung von zwei SCRs liefert die besten Ergebnisse für dieses Szenario. Der erste konzentriert sich auf den positiven Halbzyklus, der andere auf den negativen Halbzyklus. Ein Widerstand verringert den Kurzschlussstrom während beider SCR-Auslöseprozesse. Das Anschließen einer Zener-Diode in Reihe mit jedem Widerstand bildet einen Schaltkreis, der hohe Spannung detektieren kann.

Impulsschaltungen

(Eine elektronische Zündung nutzt einen SCR.)

Ein SCR bietet auch Anwendungen für hochfrequente Spannungs- und Stromimpulse in einer Schaltung. Ein Kondensator lädt während des positiven Halbzyklus der Hauptversorgung. Von dort schaltet der SCR über den negativen Halbzyklus EIN. Der SCR schaltet AUS, wenn der Kondensator entlädt und der Vorwärtsstrom null erreicht. Danach wird der EIN-Prozess wiederholt, wodurch die Ausgangsimpulsfrequenz der Versorgungsfrequenz entspricht.

Verschiedene Arten von SCRs

Diskret Kunststoff: Der diskrete Kunststoff-SCR-Typ enthält drei Pins, die an eine Halbleiter-Kunststoffabdeckung montiert sind. Darüber hinaus integrieren diese auf einer PCB, verfügbar von 25A bis 1000V.

Stehbolzen-Basis: Einfach zu befestigen, besteht diese Einheit aus einer geschraubten Basis und bietet niedrigen thermischen Widerstand. Zusätzlich unterstützt das Stehbolzen-Basis-Gerät 5 bis 150A Strom bei voller Spannung.

Kunststoff-Modul: Dies besteht aus mehr als einem Bauelement, während es die gleichen Qualitäten wie der diskrete Kunststoff bietet. Es kann bis zu 100A handhaben und mit einem geschraubten Kühlkörper an einer PCB befestigen.

Press-Pack: Diese Press-Pack-SCRs sind in Keramik eingeschlossen zusammen mit den Elektroden, um Anode und Kathode zu isolieren. Sie bieten auch Unterstützung für 200A oder höher und Anwendungen, die über 1200V erfordern.

Flachbasis: Eine Flachbasis kommt mit Isolierung, die sie vor dem Kühlkörper schützt. Mit ähnlichen Qualitäten wie die Stehbolzen-Basis kann diese Ströme von 10 bis 400A handhaben.

Betriebsmodi des SCR

Vorwärtsblockiermodus:

Der SCR funktioniert im Vorwärtsblockiermodus, wenn seine Anode positive Spannung und die Kathode negative Spannung erhält. Dies zwingt einen kleinen Vorwärtsleckstrom durch das Bauelement.

Vorwärtsleitungsmodus:

Im Vorwärtsleitungsmodus schaltet der SCR ein, wodurch er Strom von der Anode zur Kathode leitet. Dies tritt durch Anlegen einer Spannung an das Gate oder Überschreiten der Vorwärtsdurchbruchspannung auf.

Sperrblockiermodus:

Das Anlegen von positiver Spannung an die Kathode und negativer Spannung an die Anode versetzt den SCR in Sperrblockiermodus. Infolgedessen wechseln Übergänge J1 und J3 in Sperrrichtung, während J2 in Vorwärtsrichtung geht, was den Stromfluss durch den SCR verhindert.

SCR-Schaltplan

(Ein SCR-Lichtdimmerschaltplan. Quelle: Cadmium/Wiki media commons)

SCR testen

(Multimeter zum Testen des SCR verwenden)

Ein SCR-Testansatz beinhaltet die Nutzung eines Multimeters, ein effektiver Prozess. Zunächst müssen Sie den Multimeterschalter auf hohen Widerstand einstellen. Dann den positiven Draht des Multimeters an das Gate der SCR-Anode und den negativen Draht an die Kathode anschließen. Nach diesem Schritt wird das Multimeter einen offenen Stromkreis anzeigen. Wenn Sie die Verbindungen umkehren, zeigt es auch einen verfügbaren Kurs an.

Als Nächstes die Gate-Anschlüsse der SCR und die Anode an das positive Ende des Multimeters anschließen. Danach müssen Sie die Kathode der SCR an das gegenüberliegende Ende anschließen. Infolgedessen zeigt das Multimeter einen niedrigen Widerstandswert an, was bedeutet, dass der SCR-Schalter auf EIN steht. Das Entfernen des Anoden-Gate-Anschlusses gibt die gleiche Aufgabe aus, was eine Verriegelungsform darstellt. Positive Testergebnisse bedeuten, dass der SCR hohe Leistungsqualität bietet.

Zusammenfassung

Letztendlich beherbergt ein SCR praktische Anwendungen für einfache Schaltungen. Nicht nur das, sondern er kann auch Komponenten vor Überspannung schützen. Er fungiert auch als Gleichrichter, wandelt AC in DC um und steuert Leistung. Das allein macht dieses Bauelement zur Notwendigkeit. Darüber hinaus gibt es ihn in einigen Typen, die ihren Zweck mit vorteilhaften Eigenschaften erfüllen. Zuletzt arbeitet ein SCR in drei verschiedenen Modi, was ihn zu einem komplexen Bauelement macht. Er benötigt angelegte Spannung, um Schaltfähigkeiten bereitzustellen.

Haben Sie Fragen zu einem siliziumgesteuerten Gleichrichter? Kontaktieren Sie uns gerne!