트랜지스터(Transistor) 강의록 - 4 SCR

2019/04/15 - [임베디드 프로세서/전자의 기초] - 트랜지스터(transistor) - 1 NPN, PNP형 트랜지스터

2019/04/16 - [임베디드 프로세서/전자의 기초] - 트랜지스터(transistor) - 2 증폭 작용

2019/04/17 - [임베디드 프로세서/전자의 기초] - 트랜지스터(Transistor) - 3 다링톤 트랜지스터, 포토 트랜지스터, 접합형 FET, MOS형 FET

다층 반도체소자

PN접합을 3개 이상 갖는 전류 제어형인 부 저항소자로서 ON상태와 OFF상태인 2개의 안정상태를 가지고 있으며 OFF > ON 또는 그 역으로도 스위칭이 가능한 반도체 소자입니다. 이러한 특성은 가진 반도체 소자에는 사이리스터(SCR), 다이악(DIAC), 트라이악(TRIAC) 등이 있습니다.

SCR

1. SCR의 기호 및 구조
사이리스터는 단방향(2단자, 3단자 사이리스터)과 양방향(2단자, 3단자 사이리스터)으로 분류되며, 가장 널리 이용되는 것은 단방향 사이리스터인 SCR입니다.

SCR은 실리콘 제어 정류소자(Silicon Controlled Rectifier)의 약자로서 PN다이오드 2개를 포개서 P나 N의 한쪽에 게이트 단자를 부착한 형상으로, (+)쪽을 애노드(A), (-)쪽을 캐소드(K), 제어단자를 게이트(G)의 3개 단자로 구성되어 있습니다.
또 NPN, PNP의 3층 접합의 트랜지스터로 생각되므로, 이 SCR을 트랜지스터의 등가회로로 바꾸면 위 그림의 (b)와 같이 됩니다. 즉, 트랜지스터의 베이스와 컬렉터를 합친 2개의 트랜지스터로 대치될 수 있습니다. PNP형 트랜지스터를 Q1, NPN형 트랜지스터를 Q2라 하고, 애노드에 +를 캐소드에 - 전압을 연결하면 Q2의 베이스에 해당하는 게이트에 전압이 공급되지 않은 상태이므로, Q2가 OFF 상태가 되어 Q1의 베이스 전류에 해당하는 Q1의 컬렉터 전류는 흐르지 않게 됩니다. 그러므로 Q1도 OFF된 상태를 유지하게 되어 SCR에는 전류가 흐르지 않게 되는 것입니다.
여기에 게이트에 + 전압을 걸어 주면, Q2가 ON이 되어 컬렉터 전류가 에미터로 흐르게 되어 Q1도 ON이 됩니다. Q1의 컬렉터 전류도 흐르게 되어 게이트에 가해 준 전압을 없애도 계속해서 전류가 흐르게 됩니다. 즉, SCR의 게이트에 + 전압을 가했다가 끊어 주어도 SCR에는 계속해서 전류가 흐르게 되는 것입니다.

2. SCR의 특성곡선
아래 그림과 같이 애노드에 (+), 캐소드에 (-)의 순방향 전압을 가해주고 전압을 증가시키면 처음에는 전류가 흐르지 않다가 어느정도 전압에 도달하자마자 급격히 전류가 흐르는 것을 볼 수 있습니다. 이때의 전압을 브레이크 오버전압(VBR : Break Over Voltage)라고 하며, 전류가 OFF -> ON으로 옮겨지는 것을 턴 온(Turn on)이라고 합니다. 보통 SCR 회로에서는 브레이크 오버전압 이하에서 사용하여야 합니다.
그러나 그렇게 되면 출력손실이 너무 많아지기 때문에 브레이크 오버전압의 2/3 정도를 동작전압으로 설정해서 게이트 전압으로 제어하는게 좋습니다.

아래 그림과 같이 게이트 전류 Ig가 흐르는 상태에서는 게이트 전류가 흐르지 않을 때에 비해 브레이크 오버전압이 현저하게 낮아지고, 게이트 전류가 클수록 순방향 전류값 Ia는 작아지게 됩니다. 애노드에 (-), 캐소드에 (+)의 역방향 전압을 가하게 되면 일반 다이오드의 특성과 같습니다.

따라서 어떤 경우에도 항복전압 이상으로 역방향 전압을 가해서는 안됩니다. 데이터시트에 규정된 최대 역방향 전압과 작동전압 사이의 간격이 충분히 크게 유지되도록 선정하여야 하며 역방향으로 차단되는 사이리스터는 정격 차단전압 3kV까지, 정격전류 0.5A - 1kA까지 생산됩니다.

3. SCR의 정상상태 확인법
테스터기의 저항 범위를 x1에 놓고 캐소드와 게이트 사이의 순방향 저항값은 10옴 정도 나오고 캐소드와 게이트사이의 역방향 저항은 100옴 정도 나오게 되며, 캐소드와 애노드에는 어느 방향으로 측정해도 무한대 값이 나오며, 캐소드와 게이트 사이의 저항값은 어느 방향으로든 무한대가 나오게 됩니다. 또한, 캐소드에 (+) 단자를 연결하고 애노드와 게이트에 (-) 단자를 연결하면 10옴 이하 값이 나옵니다. 이때 애노드와 게이트에 연결된 (-) 단자를 떼어내면 계속해서 애노드와 캐소드는 도통상태를 유지하게 되므로 저항값은 계속 10옴 정도 나오게 되는것을 볼 수 있습니다. 

4. SCR의 응용회로
[1] SCR을 이용한 응용회로
SCR을 이용한 회로중에 회로에서 전압을 가해도 전류는 흐르지 않다가 스위치를 closed 시키면 전류는 저항을 거쳐 게이트로 흐르게 되어 도통이 되어 램프가 점등되고 스위치를 open해도 계속 램프에는 불이 들어오게 됩니다. 전원을 끊으면 다시 처음 상태를 유지하며 미소전류로 큰 부하를 제어하게 할 수 있게 되는 것이죠. 종류에 따라 매우 큰 대용량의 것도 가능하게 됩니다. 

[2]. SCR을 이용한 점화장치
SCR은 자동차의 CDI식 점화장치의 기본회로에 사용되어 지고 있습니다. 스위치를 닫으면 게이트쪽으로 전류가 흐르지 않게 했다가 스위치가 열리면 전위가 상승하여 게이트 전류가 흐르게 하는데 이때 게이트 전류는 캐패시터(c1)가 작기 때문에 매우 짧은 시간밖에 흐르지 않게 됩니다. 이 게이트 전류가 SCR의 게이트 신호가 되어 SCR은 도통상태가 되겠고 전화장치에 연결된 캐패시터(c2)의 전압이 순간적으로 방전되어 1차 코일로 흐르고 2차 코일에 고전압이 유기됩니다. 게이트 전류가 흘렀던 캐패시터(c1)는 충전의 역 틍성으로 도통상태는 끝나게 됩니다.