サイリスタ整流器

サイリスタは、シリコン制御整流器(SCR)とも呼ばれ、調光器、モータ速度コントローラ、電圧レギュレータに使用される電子デバイスです。ダイオードのように、サイリスタにはアノードとカソードがあり、一方向にのみ導通します。実際、サイリスタの回路図記号はダイオードに似ていますが、電流の流れを制御するゲートを表す3番目の端子があります。ただし、ダイオードとは異なり、サイリスタをオンにするには、順方向電流がアノードからカソードに流れるように、ゲートに小さな電流パルスが必要です。この順方向電流がラッチングしきい値を下回ると、サイリスタはオフになります。オフ状態では、サイリスタが両方向の伝導をブロックします。オンとオフを切り替える機能により、サイリスタは整流、つまり1つの極性のみの電流を流し、AC電力の量をアロードに調整することができます。このビデオでは、ACサイクル中のさまざまなポイントでゲートをトリガーしてサイリスタを制御する方法を示します。

サイリスタは、P型半導体とN型半導体の4つの交互層で構成されており、PNPN構造を形成しています。アノードリードは、一端でP型材料に接続されています。カソードリード線は、もう一方の端でN型材料に接続されています。そして、ゲートリードはカソードの隣のP型層に接続されています。この単純な回路では、サイリスタと直列にAC電源と負荷があるため、AC入力自体でサイリスタを順方向導通に駆動することはできません。電流はゲートへの電流パルスがオン状態をトリガーした後にのみ、アノードからカソードに流れることができます。このパルスは、ソース電圧が正のときに発生する必要があります。それ以外の場合、サイリスタはオフのままで電流をブロックします。サイリスタは双安定であるため、2つの異なる状態で休むことができます。したがって、順方向導通モードは、ソース電圧が正で、電流がラッチングしきい値を超えている限り持続します。電流がこのしきい値を下回ると、サイリスタはブロッキングモードに入り、再びトリガーされるまでその状態のままになります。ゲートパルスと正弦波ACソースのゼロクロッシングとの間の位相差が発射角です。例えば、初期ゼロクロッシングと同時に発生するトリガーパルスの発射角度はゼロ度で、ダイオードのように完全な半波整流が実現します。この場合、サイリスタはサイクルの正の部分からすべてのエネルギーを負荷に渡します。パルスがAC電圧のピークと一致する場合、点火角度は90度であり、負荷は正のサイクルの半分からのみエネルギーを受け取ります。最後に、負のゼロクロッシングと同時にパルスが発生すると、発射角度は180度になり、電流は伝導されず、エネルギーはまったく伝達されません。この実験の目的は、さまざまな点火角度でトリガーされるサイリスタ整流器回路を研究し、結果として得られる平均出力電圧を比較することです。

これらの実験は120ボルトのAC電源を使用するため、感電死や怪我や死亡の原因となる可能性のある露出したワイヤーとの接触を避けてください。通電中は回路のどの部分にも触れたり、VARIACを接地したりしないでください。電気安全の詳細については、Jove Science Educationのビデオ「安全上の注意と基本的な機器」をご覧ください。まず、標準オシロスコープ・プローブを1つのチャンネルに接続し、差動プローブを2番目のチャンネルに接続して、オシロスコープをセットアップします。差動プローブを20以上の減衰に1つ構成します。オシロスコープのメニューで差動プローブ・チャンネルの増幅を設定します。差動プローブで使用可能な場合は、20xを使用します。それ以外の場合は、オシロスコープの測定値を10倍にして2倍にします。オシロスコープのオフセットをキャンセルするには、差動プローブ端子をクリップし、トレースの垂直位置を0ボルトに調整します。この実験中、VARIACは60ヘルツのライン周波数でAC電圧を供給します。VARIACを調整する前に、VARIACがオフになっていて、出力に何も接続されていないことを確認してください。次に、コントロールノブを15%出力に回します。出力ケーブルをVARIACに接続し、差動スコーププローブ端子をケーブルのバナナプラグに接続します。VARIACをオンにし、オシロスコープで波形を観察し、出力V0の振幅が35ボルトになるようにVARIACを調整します。オシロスコープの水平分割あたりの時間間隔である時間ベースを変更して、電圧の2〜5サイクルを表示します。この波形のコピーをキャプチャして保存し、このタイムベースを記録して、後で使用するためにTB0に指定します。最後に、VARIACの電源を切り、設定を変更しないでください。

この最初の実験では、点火角度が0度のサイリスタ整流器をトリガーします。プロトタイプボードに示されているように回路を組み立てます。入力AC電源V入力にはVARIACを使用します。そして、抵抗R2の代わりにワイヤージャンパー。入力電圧V入力の両端に標準プローブを接続し、次に負荷抵抗Rの両端に差動プローブを接続して、出力電圧V出力を観察します。VARIAC をオンにし、スコープを以前に記録したタイム ベース TB0 に設定します。点火角度が0度であるため、サイリスタはダイオードのように動作し、出力電圧は半整流正弦波です。オシロスコープの組み込み数学関数を使用して、平均出力電圧を測定します。サイリスタがオフになったときにポイント間をズームインし、次に再びオンになるようにタイムベースを調整します。スコープのカーソルを使用して、この時間差を測定します。VARIACをオフにし、volを変更しないでくださいtage設定は。次の実験では、すべての VARIAC 接続とスコープ接続を同じに保ちます。

結果を2つの異なる非ゼロ点火角度と比較するために、次の実験では、R2の抵抗が小さく、次に大きい抵抗でサイリスタをトリガーします。この場合、抵抗は300オームと620オームです。小さい方の抵抗を使用して、サイリスタを小さな点火角度でトリガーします。R2を短絡させたジャンパーを取り外します。次に、300オームの抵抗をその場所に挿入します。VARIACをオンにし、スコープをタイムベースTB0に設定します。点火角度はゼロ度より大きくなり、その結果、サイリスタはACサイクルの正の部分で後でトリガーされます。前述のように平均出力電圧を測定します。次に、ズームインして、サイリスタがオフになってから再びオンになるまでの時間間隔を測定します。VARIACの電源を切ります。VARIACの設定やその他の接続を変更せずに、R2を大きい方の抵抗器に交換し、テストを繰り返します。実験が完了したら、VARIACの電源を切り、ゼロにして回路を分解します。

サイリスタ整流回路の出力電圧は、ゲートパルスがサイリスタをトリガーするまでゼロです。トリガ後、出力電圧は半整流波の残りの部分です。点火角度が大きくなると、出力電圧は入力に比べてチョップされやすくなるため、平均出力電圧は減少します。したがって、点火角度は、サイリスタが負荷に渡す電力量を決定します。

サイリスタは、負荷に伝達される電力量を制御でき、古い調整可能なDC電源では一般的でした。これらは、多くの中電圧から高電圧のAC電力制御アプリケーションで現在も使用されています。まず、家庭やオフィスで使用される一般的な調光器には、可変抵抗器であるポテンショメータを制御するノブまたはスライダーがあります。抵抗を変更すると、サイリスタの点火角度が変わり、それに応じて電球を照らす電力が増減します。陽極アーク放電は、カーボンナノチューブとグラフェンを合成する実用的かつ効率的な手段です。研究では、磁場を使用してプロセスの制御性と柔軟性を高めてきました。このアプリケーションの放電は、アーク溶接の放電と似ています。また、どちらも高電圧サイリスタを使用して、アークを生成する電力を制御します。

Joveの「Introduction to Thyristor Rectifiers」をご覧になりました。これで、サイリスタがどのように機能し、電気機器へのAC電源の制御を可能にするかを理解する必要があります。ご覧いただきありがとうございます。