실험 1 : SCR(Silicon Controlled Rectifier)

【 이론 】

SCR은 순방향으로 부성 저항을 가지고, OFF 상태의 저항은 매우 높으며, ON 상태에서는 pn접합의 순방향과 마찬가지로 낮은 저항을 나타낸다. SCR은 실리콘의 pnpn 4층으로 되어 있으며, 안 쪽에 있는 p층 또는 n층에 게이트라고 하는 제어전극을 가지고 있다. 그림 19-1(a)가 그 구조이며, 스위치 동작을 이해하기 위하여, 그림 19-1(b)와 같이 SCR을 2개로 분할하면 알기 쉬워진다. 즉, pnp와 npn의 콜렉터와 베이스가 서로 접속되어 있는 것이다. 이것은 pnp의 콜렉터 전류가 npn의 베이스 전류로써 작용하고, 마찬가지로 npn의 콜렉터 전류가 pnp의 베이스 전류로써 작용하는 +의 피드백 회로이다.

npn, pnp인 각각의 전류 증폭율을

$$ h_FE1

,

$$ h_FE2~

라 한다면, 피드백 회로의 전류 이득 G는 다음과 같이 된다.

 

$$ I_CQ1

,

$$ I_CQ2

를 각각 npn, pnp의 콜렉터-베이스간의 누설 전류라 한다면, npn의 콜렉터 전류

$$ I_C1

과 pnp 콜렉터 전류

$$ I_C2~

는 다음과 같다.

이때, 애노드-캐소드 간 전류

$$ I_A

는 다음과 같이 주어진다.

트랜지스터의 콜렉터의 전류가 적을 때에는

$$ h_FE1

,

$$ h_FE2

가 모두 적어져 윗 식의 분모는 거의 1이 된다. 한편,

$$ I_CO~

는 적으므로 소자는 OFF 상태가 된다. 어느 경우든 콜렉터 전류가 증가하여

$$ G > 1

이 되면, 위의 식에서 알 수 있는 것과 같이

$$ I_A

는 무한대가 되어 소자는 ON 상태가 된다. 이와 같은 동작을 하는 SCR을 OFF 상태에서 ON 상태가 되게 하는 방법으로는 아래와 같은 것이 있다.

(1) 게이트 전류(

$$ I_G~

)를 흘린다.

(2) 애노드에 +의 전압을 내압(브레이크오버 전압)까지 인가한다.

(3) 애노드에 인가하는 전압 상승율

$$ dv/dt~

를 크게 잡는다.

(4) 온도를 높인다.

이 중에서 (1)과 (2)는 각 트랜지스터의 콜렉터 전류를 증가시켜,

$$ G>1

이 되게 하는 방법이며, (3)은 접합 용량의 충전 전류에 의해

$$ G>1

을 얻고, (4)의 방법은

$$ I_CO~

를 크게 함으로써

$$ G>1

을 얻는 것이다. 한편, SCR은 일단 ON 상태가 되면

$$ G>1

인 상태가 계속되는 한 OFF 상태로는 되지 않는다. 전류를 아주 적게 하든지, 인가 전압을 0(zero)이 되게 해야만 OFF상태로 된다. 그림 19-2는 SCR을 Turn Off 시키는 방법을 보인 것이다.

그림 19-3은 캐소드를 기준으로 하여 V-I 특성을 보인 것이다. 이와 같이 SCR은 단방향으로만 스위치 특성을 가지고, 트리거 전극으로써 게이트 단자를 가진 3단자 구조로 되어 있어서 3단자 단방향성 Thyristor라고도 한다.

* 참고

1. Holding Current(

$$ I_H~

: 유지전류)

SCR의 ON 상태를 유지하기 위한 최소한의 양극전류를 말한다. ON 상태에 있는 SCR의 Gate 회로를 개방하고 양극 전류를 줄여가면 어느 전류부터 OFF 상태로 옮아가서 전류가 흐르지 않게 된다. 이때의 전류를 유지 전류라 한다.

2. Latching Current(

$$ I_L~

: 유지전류)

SCR이 OFF 상태에서 ON 상태로의 전환이 행해지고, 트리거 신호가 제거된 직후에 SCR을 ON 상태로 유지하는데 필요로 하는 최소한의 양극전류를 말한다.

3. Holding Current와 Latching Current를 Relay의 동작에 비추어 설명하면 다음과 같다. Latching Current는 Relay가 동작할 수 있는 최소한의 전류를 나타내는 것이고, Holding Current는 Relay가 동작하고 있는 상태에서 전류를 점점 줄였을 때 Relay가 동작하지 않게 되는 바로 직전의 전류를 말한다. 따라서, Holding Current는 Latching Current보다 항상 작은 값을 갖는다.