シリコン制御整流子（SCR）

ショックリーダイオードとシリコン制御整流子（SCR）

ショックリーダイオードは好奇心旺盛なデバイスですが、用途が限られています。ただし、別のラッチ手段を装備することで、それらの有用性を拡大することができます。そうすることで、それぞれが真の増幅デバイスになり（オン/オフモードの場合のみ）、これらをシリコン制御整流子またはSCRと呼びます。

ショックリーダイオードからSCRへの移行は、1つの小さな追加で達成されます。実際には、既存のPNPN構造への3番目のワイヤ接続にすぎません:(下の図）

シリコン制御整流子（SCR）

SCR伝導

SCRのゲートがフローティング（切断）のままになっている場合、SCRはShockleyダイオードとまったく同じように動作します。ショックリーダイオードの場合と同様に、ブレークオーバー電圧によって、またはアノードとカソード間の電圧上昇の臨界速度を超えることによってラッチされる場合があります。ドロップアウトは、Shockleyダイオードのように、一方または両方の内部トランジスタがカットオフモードになるまで電流を減らすことによって実現されます。ただし、ゲート端子は下部トランジスタのベースに直接接続されているため、SCRをラッチするための代替手段として使用できます。ゲートとカソードの間に小さな電圧を印加することにより、結果として生じるベース電流によって下部トランジスタが強制的にオンになり、上部トランジスタが導通し、下部トランジスタのベースに電流が供給されるため、アクティブにする必要がなくなります。ゲート電圧による。もちろん、ラッチアップを開始するために必要なゲート電流は、カソードからアノードへのSCRを流れる電流よりもはるかに低いため、SCRはある程度の増幅を実現します。

トリガー/起動

SCRの導通を確保するこの方法は、トリガーまたは発火と呼ばれ、実際にSCRをラッチする最も一般的な方法です。実際、SCRは通常、ブレークオーバー電圧が電源から予想される最大電圧をはるかに超えて、ゲートに意図的に電圧パルスを印加することによってのみオンにできるように選択されます。

リバーストリガー

SCRは、ゲート端子とカソード端子を直接短絡するか、ゲートを負の電圧（カソードに対して）で「逆トリガー」して、下側のトランジスタを強制的にオフにすることでオフになる場合があることに注意してください。を中断する。これは「時々」可能であると私は言います。なぜなら、それは下部トランジスタのベースを通過する上部トランジスタのコレクタ電流のすべてをシャントすることを含むからです。この電流はかなりの量になる可能性があり、SCRのトリガーされたシャットオフをせいぜい困難にします。ゲートターンオフサイリスタ（GTO）と呼ばれるSCRのバリエーションにより、このタスクが容易になります。ただし、GTOを使用した場合でも、GTOをオフにするために必要なゲート電流は、アノード（負荷）電流の20％にもなる可能性があります。 GTOの回路図記号を次の図に示します:(下の図）

ゲートターンオフサイリスタ（GTO）

SCRとGTO

SCRとGTOは同じ同等の回路図（正のフィードバック方式で接続された2つのトランジスタ）を共有しますが、唯一の違いは、NPNトランジスタにPNPよりも大きなβを与えるように設計された構造の詳細です。これにより、より小さなゲート電流（順方向または逆方向）がカソードからアノードへの伝導をより高度に制御できるようになり、PNPトランジスタのラッチ状態はその逆よりもNPNに依存します。ゲートターンオフサイリスタは、ゲート制御スイッチ（GCS）の名前でも知られています。

抵抗計を使用したSCR機能のテスト

SCR機能の基本的なテスト、または少なくとも端子の識別は、抵抗計を使用して実行できます。ゲートとカソード間の内部接続は単一のPN接合であるため、メーターは、ゲートの赤いテストリードとカソードの黒いテストリードでこれらの端子間の導通を示す必要があります:(下の図）

SCRの初歩的なテスト

SCRで実行される他のすべての導通測定では、「オープン」（一部のデジタルマルチメータディスプレイでは「OL」）が表示されます。このテストは非常に粗雑であり、SCRの包括的な評価を構成するものではないことを理解する必要があります。 SCRが良好な抵抗計の表示を示しても、欠陥がある可能性があります。最終的に、SCRをテストする唯一の方法は、SCRに負荷電流を流すことです。

「ダイオードチェック」機能を備えたマルチメータを使用している場合、得られるゲートからカソードへの接合電圧の表示は、シリコンPN接合に期待されるもの（約0.7ボルト）に対応する場合と対応しない場合があります。場合によっては、はるかに低い接合部電圧（わずか100分の1ボルト）を読み取ることがあります。これは、一部のSCRに組み込まれているゲートとカソードの間に接続された内部抵抗によるものです。この抵抗は、SCRが、回路の「ノイズ」または静電気放電によるスプリアス電圧スパイクによる誤ったトリガーの影響を受けにくくするために追加されています。言い換えると、ゲートとカソードの接合部に抵抗を接続するには、SCRをラッチするために強力なトリガー信号（大電流）を印加する必要があります。この機能は、小さなSCRではなく、大きなSCRによく見られます。ゲートとカソードの間に内部抵抗が接続されたSCRは、これら2つの端子間の両方向の導通を示すことに注意してください:(下の図）

より大きなSCRには、ゲートからカソードへの抵抗があります。

高感度ゲートSCR

この内部抵抗がない「通常の」SCRは、わずかな正のゲート信号によってトリガーされる能力があるため、センシティブゲートSCRと呼ばれることもあります。

SCRのテスト回路は、疑わしいSCRをチェックするための診断ツールとしても実用的であると同時に、基本的なSCRの動作を理解するための優れた補助手段でもあります。回路に電力を供給するためにDC電圧源が使用され、SCRをラッチおよびラッチ解除するために2つの押しボタンスイッチがそれぞれ使用されます:(下の図）

SCRテスト回路

ノーマルオープンの「オン」押しボタンスイッチを作動させると、ゲートがアノードに接続され、バッテリの正端子から負荷抵抗、スイッチ、カソードゲートPN接合、そしてバッテリに戻る電流が可能になります。このゲート電流により、SCRが強制的にラッチオンされ、ゲートを介してさらにトリガーされることなく、電流がアノードからカソードに直接流れるようになります。 「オン」押しボタンを離すと、負荷はオンのままになります。

通常は閉じている「オフ」押しボタンスイッチを押すと、回路が遮断され、SCRを流れる電流が強制的に停止し、強制的にオフになります（低電流ドロップアウト）。

保持電流

SCRがラッチに失敗した場合、問題はSCRではなく負荷にある可能性があります。 SCRを「オン」状態にラッチして保持するには、一定の最小負荷電流が必要です。この最小電流レベルは、保持電流と呼ばれます。抵抗値が大きすぎる負荷は、ゲート電流が停止したときにSCRをラッチしたままにするのに十分な電流を引き出せない可能性があり、テスト回路に不良（ラッチ不可能）SCRの誤った印象を与えます。さまざまなSCRの保持電流値は、メーカーから入手できる必要があります。一般的な保持電流値は、より大きなユニットの場合、1ミリアンペアから50ミリアンペア以上の範囲です。

テストを完全に包括的にするには、トリガーアクション以上のものをテストする必要があります。 SCRの順方向ブレークオーバー電圧制限は、SCRがすべてそれ自体でラッチするまで、DC電圧供給を（押しボタンスイッチを作動させずに）増やすことによってテストできます。ブレークオーバーテストには非常に高い電圧が必要になる場合があることに注意してください。多くの電源SCRのブレークオーバー電圧定格は600ボルト以上です。また、パルス電圧発生器が利用可能な場合、SCRの臨界電圧上昇率を同じ​​方法でテストできます。押しボタンスイッチを作動させずに、異なるV /時間率のパルス供給電圧にさらし、ラッチするタイミングを確認します。

この単純な形式では、SCRテスト回路は、DCモーター、ランプ、またはその他の実際の負荷の開始/停止制御回路として十分です。（下の図）

DCモーターの始動/停止制御回路

「クローバー」回路

DC回路でのSCRのもう1つの実用的な用途は、過電圧保護用のクローバーデバイスです。 「クローバー」回路は、DC電源の出力と並列に配置されたSCRで構成され、DC電源の出力を直接短絡して、過剰な電圧が負荷に到達するのを防ぎます。 SCRと電源の損傷は、短絡電流を制限するためにSCRの前にヒューズまたは実質的な直列抵抗を適切に配置することによって防止されます:(下の図）

DC電源で使用されるクローバー回路

出力電圧を検出する一部のデバイスまたは回路はSCRのゲートに接続されるため、過電圧状態が発生すると、ゲートとカソードの間に電圧が印加され、SCRがトリガーされ、ヒューズが強制的に切断されます。その効果は、電源の出力端子の真横に頑丈なスチール製のバールを落とすのとほぼ同じです。そのため、回路の名前が付けられています。

SCRは本質的にDC（単方向）デバイスであるという事実にもかかわらず、SCRのほとんどのアプリケーションはAC電源制御用です。双方向回路電流が必要な場合は、複数のSCRを使用して、AC波の両方の半サイクルを流れる電流を処理するために1つまたは複数を各方向に向けることができます。 SCRがAC電力制御アプリケーションに使用される主な理由は、交流電流に対するサイリスタの独自の応答です。私たちが見たように、サイラトロン管（SCRの電子管バージョン）とDIAC、AC半サイクルの一部の間にトリガーされたヒステリシスデバイスはラッチし、ACまで半サイクルの残りを通してオンのままになります次の半サイクルを開始する必要があるため、電流はゼロに減少します。電流波形のゼロクロスオーバーポイントの直前で、電流が不十分なためにサイリスタがオフになり（この動作は自然転流とも呼ばれます）、次のサイクル中に再度起動する必要があります。その結果、「切り刻まれた」正弦波に相当する回路電流が得られます。レビューのために、ピークがDIACのブレークオーバー電圧を超えるAC電圧に対するDIACの応答のグラフを次に示します:(下の図）

DIAC双方向応答

DIACでは、そのブレークオーバー電圧制限は固定量でした。 SCRを使用すると、波形に沿った任意の時点でゲートをトリガーすることにより、デバイスがラッチされるタイミングを正確に制御できます。適切な制御回路をSCRのゲートに接続することにより、任意のポイントで正弦波を「チョップ」して、負荷への時間比例した電力制御を可能にすることができます。

下の図の回路を例として取り上げます。ここでは、SCRが回路内に配置され、AC電源から負荷への電力を制御します。

AC電源のSCR制御

一方向（一方向）デバイスであるため、電源電圧の極性が上で正、下で負であるACの半サイクルで、負荷に半波電力しか供給できません。ただし、時間比例制御の基本概念を示すために、この単純な回路は、全波力を制御する回路（2つのSCRが必要）よりも優れています。

ゲートへのトリガーがなく、AC電源電圧がSCRのブレークオーバー電圧定格を大幅に下回っているため、SCRがオンになることはありません。標準の整流ダイオードを介してSCRゲートをアノードに接続すると（SCRにゲート-カソード抵抗が組み込まれている場合にゲートを逆電流が流れるのを防ぐため）、SCRを開始時にほぼ即座にトリガーできます。正の半サイクルごと:(下の図）

ゲートはダイオードを介してアノードに直接接続されています。負荷を流れるほぼ完全な半波電流。

SCRトリガー遅延

ただし、ゲート回路に抵抗を挿入することでSCRのトリガーを遅らせることができるため、十分なゲート電流がSCRをトリガーする前に必要な電圧降下の量が増加します。つまり、抵抗を追加して電流がゲートを流れにくくすると、SCRをオンにするのに十分なゲート電流が得られる前に、AC電圧がサイクルのより高いポイントに到達する必要があります。結果は下の図にあります。

ゲート回路に挿入された抵抗。負荷を流れる半波未満の電流。

SCRのトリガーの遅延によって半正弦波が大幅に切り刻まれると、負荷が受け取る平均電力は少なくなります（電力はサイクル全体でより短い時間で供給されます）。直列ゲート抵抗を可変にすることで、時間に比例した電力を調整できます:(下の図）

抵抗を増やすとしきい値レベルが上がり、負荷に供給される電力が少なくなります。抵抗を下げるとしきい値レベルが下がり、より多くの電力が負荷に供給されます。

残念ながら、この制御方式には重大な制限があります。 SCRトリガー信号にACソース波形を使用する場合、制御を波形の半サイクルの前半に制限します。つまり、波のピークが終了してからSCRがトリガーされるまで待つことはできません。これは、波のピークでSCRがオンになるポイントまでしか電力を下げることができないことを意味します:(下の図）

最小電力設定での回路

AC電源電圧のピークでさえSCRをトリガーするのに十分ではないため、トリガーしきい値をこれ以上上げると、回路はまったくトリガーされなくなります。その結果、負荷に電力が供給されなくなります。

この制御のジレンマに対する独創的な解決策は、回路に位相シフトコンデンサを追加することです:(下の図）

回路への位相シフトコンデンサの追加

グラフに示されている小さい方の波形は、コンデンサ両端の電圧です。位相シフトを説明するために、負荷電流がない状態でSCRがまったくトリガーされない最大制御抵抗の条件を想定しています。ただし、制御抵抗とコンデンサを流れる電流はわずかです。このコンデンサの電圧は、電源のAC波形よりも0°から90°遅れて位相シフトされます。この位相シフト電圧が十分に高いレベルに達すると、SCRがトリガーされます。

SCRを定期的にトリガーするのに十分な電圧がコンデンサの両端にある場合、結果の負荷電流波形は次の図のようになります）

位相シフト信号はSCRを導通状態にトリガーします。

主AC電力波形がピークに達した後もコンデンサの波形はまだ上昇しているため、そのピークを超えるしきい値レベルでSCRをトリガーすることが可能になり、単純な回路で可能であったよりも負荷電流波をさらに細かく切り刻むことができます。実際には、コンデンサの電圧波形はここに示されているものよりも少し複雑で、SCRがラッチするたびにその正弦波の形状が歪んでいます。ただし、ここで説明しようとしているのは、位相シフトRCネットワークで得られる遅延トリガーアクションです。したがって、単純化された歪みのない波形が目的に役立ちます。

複雑な回路によるSCRトリガー

SCRは、より複雑な回路によってトリガーまたは「起動」される場合もあります。前に示した回路はランプ制御のような単純なアプリケーションには十分ですが、大規模な産業用モーター制御は多くの場合、より高度なトリガー方法に依存しています。場合によっては、パルストランスを使用してトリガー回路をSCRのゲートとカソードに結合し、トリガー回路と電源回路を電気的に絶縁します。

トリガー信号のトランス結合は分離を提供します。

複数のSCRを使用して電力を制御する場合、それらのカソードは電気的に一般的ではないことが多く、単一のトリガー回路をすべてのSCRに均等に接続することは困難です。この例は、下の図に示す制御ブリッジ整流器です。

制御されたブリッジ整流器

どのブリッジ整流回路でも、整流ダイオード（この例では整流SCR）は反対のペアで導通する必要があります。 SCR1とSCR3は同時に発射する必要があり、SCR2とSCR4はペアで一緒に発射する必要があります。ただし、お気づきのように、これらのSCRのペアは同じカソード接続を共有していません。つまり、それぞれのゲート接続を単純に並列化し、単一の電圧源を接続して両方をトリガーすることはできません:(下の図）

この戦略は、SCR2とSCR4をペアでトリガーする場合には機能しません。

示されているトリガー電圧源はSCR4をトリガーしますが、2つのサイリスターがそのトリガー電圧を参照するための共通のカソード接続を共有していないため、SCR2を適切にトリガーしません。ただし、2つのサイリスタゲートを共通のトリガー電圧源に接続するパルストランスは機能します:(下の図）

ゲートの変圧器結合により、SCR2とSCR4のトリガーが可能になります。

この回路は、4つのSCRのうち2つのゲート接続のみを示していることに注意してください。 SCR1とSCR3のパルストランスとトリガーソース、およびパルスソース自体の詳細は、簡単にするために省略されています。

制御されたブリッジ整流器は、単相設計に限定されません。ほとんどの産業用制御システムでは、AC電源は最大効率のために三相形式で利用可能であり、ソリッドステート制御回路はそれを利用するように構築されています。パルストランスやトリガー回路が示されていない、SCRで構築された三相制御整流子回路は、次の図のようになります。

負荷の三相ブリッジSCR制御

レビュー： シリコン制御整流子（SCR）は、基本的に、追加の端子が追加されたショックリーダイオードです。この余分な端子はゲートと呼ばれ、小さな電圧を印加することによってデバイスを導通（ラッチ）させるために使用されます。 SCRをトリガーまたは起動するには、ゲートとカソードの間に、ゲートに対して正、カソードに対して負の電圧を印加する必要があります。

SCRをテストする場合、ゲートとアノードの間の瞬間的な接続は、極性、強度、および持続時間において、SCRをトリガーするのに十分です。 SCRは、ゲート端子の意図的なトリガー、アノードとカソード間の過剰な電圧（ブレークダウン）、またはアノードとカソード間の過度の電圧上昇率によって発生する可能性があります。 SCRは、アノード電流が保持電流値を下回る（低電流ドロップアウト）か、ゲートを「逆方向に発射」する（ゲートに負の電圧を印加する）ことによってオフにできます。逆発火は時々効果的であり、常に高いゲート電流を伴います。

ゲートターンオフサイリスタ（GTO）と呼ばれるSCRの変形は、逆トリガーによってオフになるように特別に設計されています。それでも、逆トリガーにはかなり高い電流が必要です。通常、アノード電流の20％です。 SCR端子は導通計で識別できます。SCR端子間の導通を示す端子は、ゲートとカソードの2つだけです。ゲート端子とカソード端子はSCR内のPN接合に接続するため、導通計は、ゲートの赤（+）リードとカソードの黒（-）リードを使用して、これら2つの端子間のダイオードのような読み取り値を取得する必要があります。ただし、一部の大型SCRには、ゲートとカソードの間に接続された内部抵抗があり、メーターが取得する導通測定値に影響を与えることに注意してください。

SCRは真の整流器です。SCRは一方向にのみ電流を流します。これは、全波AC電力制御に単独で使用できないことを意味します。整流回路のダイオードをSCRに置き換えると、制御された整流回路が作成されます。これにより、AC電力波形に沿ったさまざまなポイントでSCRをトリガーすることにより、負荷へのDC電力を時間比例させることができます。

関連ワークシート：

• サイリスタワークシート