Тиристоры принцип работы: Тиристор принцип работы | Практическая электроника

Содержание

Тиристор принцип работы | Практическая электроника

Структура тиристора

Тиристор это четырёхслойный полупроводниковый прибор, слои расположены последовательно их типы проводимости чередуются: p‑n‑p‑n. p‑n‑переходы между слоями на рисунке обозначены как «П1», «П2» и «П3». Контакт присоединенный к внешнему p‑слою называется анодом, к внешнему n‑слою — катодом. В принципе тиристор может иметь до двух управляющих электродов, присоединённых к внутренним слоям. Но обычно изготавливаются тиристоры с одним управляющим электродом, либо вообще без управляющих электродов (такой прибор называется динистором).

Для включения тиристора достаточно кратковременно подать сигнал на управляющий электрод — тиристор откроется и будет оставаться в этом состоянии пока ток через тиристор не станет меньше тока удержания.

Итак, главный принцип работы тиристора и схем на его основе — открываем тиристор подачей сигнала на усправляющий электрод, закрываем снижая ток анод-катод.

Как и в биполярном транзистор главную роль в принципе действия играют неосновные носители заряда (ННЗ) и обратно-смещенный p-n- переход.

Пока неосновных носителей мало переход закрыт, но стоит подкинуть ННЗ к переходу и он откроется.
В тиристоре есть два основных способа добавить ННЗ:
1) закачать ток в управляющий электрод;
2) поднять напряжение настолько чтобы возник лавинный пробой.

Динисторное включение тиристора

Для начала рассмотрим второй случай, то есть когда управляющий электрод тиристора отключен.

При подаче напряжения прямой полярности, крайние переходы смещаются в прямом направлении, а средний – в обратном. При значительном увеличении напряжения на силовых электродах, через крайние (П1 и П3), примыкающие к среднему, переходы начинают перемещаться неосновные носители, уменьшая его сопротивление. Процесс происходит медленно, а сопротивление остается большим, но лишь до определенного момента. При некотором значении напряжения (как правило, несколько сотен вольт) процесс становится лавинным(точка 1 на ВАХ), неосновные носители заряда заменяются основными, отпирая средний переход (П2) и уменьшая сопротивление анод-катод.

Тиристор отпирается, а падение напряжения между силовыми электродами падает до единиц Вольт (точка 2 на ВАХ).

Дальнейший рост тока ведет только к небольшому росту падения напряжения на тиристоре участок ВАХ от точки 2 до точки 3, это рабочий режим открытого тиристора.

Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий ток ниже тока удержания. Причем падение напряжения соответствующее этому току многократно ниже отпирающего напряжения.

Но зачем тиристору управляющий электрод? Какие преимущества есть у тиристора перед динистором? Дело в том, что подавая напряжение через резистор на управляющий электрод можно увеличивать концентрацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь будет снижать величину напряжения включения тиристора.

А при какой-то величине тока управляющего электрода больше не будет горба на ВАХ, т.е. ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода, кстати этот ток называют током спрямления.

Режим обратного запирания тиристора

При обратном включении тиристора крайние переходы (П1 и П3) смещаются в обратном направлении, а средний в прямом (П2). Тиристор остается закрытым пока не наступит тепловой пробой.

Физические процессы

Если пары по физическим основам электроники на которых рассматривался транзистор я ещё как-то выдерживал, то энергетические зонные диаграммы объясняющие принцип работы тиристора уже были слишком сложны. Очень много ньюансов в концетрациях носителей заряда, толщинах слоев и уровне легирования.
Конечно, чтобы изготовить тиристор с хорошими характеристиками физические процессы протекающие в кристалле полупроводника нужно знать и понимать. Но для разработки электронных схем достаточно знать вольт-амперную характеристику тиристора и его транзисторную модель.

Одну четрехслойную полупроводниковую структуру можно представить как две трехслойные, если посмотреть на рисунок, то в трехслойных структурах можно увидеть два биполярных транзистора n-p-n и p-n-p структуры.

Пока оба транзистора закрыты, ток через них не протекает. Но стоит открытся хоть одному из них, то он тут же откроет второй. Ток коллектора первого транзистора поступит в базу второго и откроет его, а ток коллектора второго, будет являтся базовым для первого и будет поддерживать открытым первый транзистор. Получаетя что оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии. И чтобы они закрылись, нужно снизить ток через ниж ниже определенной величины, так называемого тока удержания.

Тиристор назначение и принцип работы. Управление тиристором, принцип действия

Тиристор представляет собой электронный силовой частично управляемый ключ. Этот прибор, с помощью сигнала управления может находиться только в проводящем состоянии, то есть быть включенным. Для того, чтобы его выключить, нужно проводить специальные мероприятия, которые обеспечивают падение прямого тока до нулевого значения. Принцип работы тиристора заключается в односторонней проводимости, в закрытом состоянии может выдержать не только прямое, но и обратное напряжение.

Свойства тиристоров

По своим качествам, тиристоры относятся к полупроводниковым приборам. В их полупроводниковой пластине присутствуют смежные слои, обладающие различными типами проводимости. Таким образом, каждый тиристор представляет собой прибор, имеющий четырехслойную структуру р-п-р-п.

К крайней области р-структуры производится подключение положительного полюса источника напряжения. Поэтому, данная область получила название анода. Противоположная область п-типа, куда подключается отрицательный полюс, называется катодом. Вывод из внутренней области осуществляется с помощью р-управляющего электрода.

Классическая модель тиристора состоит из двух , имеющих разную степень проводимости. В соответствии с данной схемой, производится соединение базы и коллектора обоих транзисторов. В результате такого соединения, питание базы каждого транзистора осуществляется с помощью коллекторного тока другого транзистора. Таким образом, получается цепь с положительной обратной связью.

Если ток отсутствует в управляющем электроде, то транзисторы находятся в закрытом положении. Течение тока через нагрузку не происходит, и тиристор остается закрытым. При подаче тока выше определенного уровня, в действие вступает положительная обратная связь. Процесс становится лавинообразным, после чего происходит открытие обоих транзисторов. В конечном итоге, после открытия тиристора, наступает его стабильное состояние, даже в случае прекращения подачи тока.

Работа тиристора при постоянном токе

Рассматривая электронный тиристор принцип работы которого основан на одностороннем движении тока, следует отметить его работу при постоянном токе.

Обычный тиристор включается путем подачи импульса тока в цепь управления. Эта подача осуществляется со стороны положительной полярности, противоположной, относительно катода.

Во время включения, продолжительность переходного процесса обусловлена характером нагрузки, амплитудой и скоростью, с которой нарастает импульс тока управления. Кроме того, этот процесс зависит от температуры внутренней структуры тиристора, тока нагрузки и приложенного напряжения.

В цепи, где установлен тиристор, не должно быть недопустимой скорости роста напряжения, которое может привести к его самопроизвольному включению.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.

Тиристор можно закрыть:

  • — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
  • — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
  • — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.

Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.


Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

  • — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
  • — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
  • — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
  • — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Тиристор — электронный компонент, изготовленный на основе полупроводниковых материалов, может состоять из трёх или более p-n-переходов и имеет два устойчивых состояния: закрытое (низкая проводимость), открытое (высокая проводимость).

Это сухая формулировка, которая для тех, кто только начинает осваивать электротехник у, абсолютно ни о чём не говорит. Давайте разберём принцип работы этого электронного компонента для обычных людей, так сказать, для чайников, и где его можно применить. По сути, это электронный аналог выключателей, которыми вы каждый день пользуетес

Есть много типов этих элементов, обладающие различными характеристиками и имеющие различные области применения. Рассмотрим обычный однооперационный тиристор.

Способ обозначения на схемах показан на рисунке 1.

Электронный элемент имеет следующие выводы:

  • анод положительный вывод;
  • катод отрицательный вывод;
  • управляющий электрод G.

Принцип действия тиристора

Основное применение этого типа элементов это создание на их основе силовых тиристорных ключей для коммутации больших токов и их регулирования. Включение выполняется сигналом, переданным на управляющий электрод. При этом элемент является не полностью управляемым, и для его закрытия необходимо применение дополнительных мер, которые обеспечат падение величины напряжения до нуля.

Если говорить, как работает тиристор простым языком, то он, по аналогии с диодом, может проводить ток только в одном направлении, поэтому при его подключении нужно соблюдать правильную полярность . При подаче напряжения к аноду и катоду этот элемент будет оставаться закрытым до момента, когда на управляющий электрод будет подан соответствующий электрический сигнал. Теперь, независимо от наличия или отсутствия управляющего сигнала, он не изменит своего состояния и останется открытым.

Условия закрытия тиристора:

  1. Снять сигнал с управляющего электрода;
  2. Снизить до нуля напряжение на катоде и аноде.

Для сетей переменного тока выполнение этих условий не вызывает особых трудностей. Синусоидальное напряжение, изменяясь от одного амплитудного значения до другого, снижается до нулевой величины, и если в этот момент управляющего сигнала нет, то тиристор закроется.

В случае использования тиристоров в схемах постоянного тока для принудительной коммутации (закрытия тиристора) используют ряд способов, наиболее распространённым является использование конденсатора, который был предварительно заряжен. Цепь с конденсатором подключается к схеме управления тиристором. При подключении конденсатора в цепь произойдёт разряд на тиристор, ток разряда конденсатора будет направлен встречно прямому току тиристора, что приведёт к уменьшению тока в цепи до нулевого значения и тиристор закроется.

Можно подумать, что применение тиристоров неоправданно, не проще ли использовать обычный ключ? Огромным плюсом тиристора является то, что он позволяет коммутировать огромные токи в цепи анода-катода при помощи ничтожно малого управляющего сигнала, поданного в цепь управления. При этом не возникает искрения, что немаловажно для надёжности и безопасности всей схемы.

Схема включения

Схема управления может выглядеть по-разному, но в простейшем случае схема включения тиристорного ключа имеет вид, показанный на рисунке 2.

К аноду присоединена лампочка L, а к ней выключателем К2 подключается плюсовая клемма источника питания G. B. Катод соединяется с минусом питания.

После подачи питания выключателем К2 к аноду и катоду будет приложено напряжение батареи, но тиристор остаётся закрытым, лампочка не светится. Для того чтобы включить лампу, необходимо нажать на кнопку К1, сигнал через сопротивление R будет подан на управляющий электрод, тиристорный ключ изменит своё состояние на открытое, и лампочка загорится. Сопротивление ограничивает ток, подаваемый на управляющий электрод. Повторное нажатие на кнопку К1 никакого влияния на состояние схемы не оказывает.

Для закрытия электронного ключа нужно отключить схему от источника питания выключателем К2. Этот тип электронных компонентов закроется, и в случае снижения напряжения питания на аноде до определённой величины, которая зависит от его характеристик. Вот так можно описать, как работает тиристор для чайников.

Характеристики

К основным характеристикам можно отнести следующие:

Рассматриваемые элементы, кроме электронных ключей, часто применяются в регуляторах мощности, которые позволяют изменять подводимую к нагрузке мощность за счёт изменения среднего и действующего значений переменного тока. Величина тока регулируется изменением момента подачи на тиристор открывающего сигнала (за счёт варьирования угла открывания). Углом открытия (регулирования) называется время от начала полупериода до момента открытия тиристора.

Типы данных электронных компонентов

Существует немало различных типов тиристоров, но наиболее распространены, помимо тех что мы рассмотрели выше, следующие:

  • динистор элемент, коммутация которого происходит при достижении определённого значения величины напряжения, приложенного между анодом и катодом;
  • симистор;
  • оптотиристор, коммутация которого осуществляется световым сигналом.

Симисторы

Хотелось бы более подробно остановиться на симисторах. Как говорилось ранее, тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, поэтому при установке их в цепи переменного тока, такая схема регулирует один полупериод сетевого напряжения. Для регулирования обоих полупериодов необходимо установить встречно-параллельно ещё один тиристор либо применить специальные схемы с использованием мощных диодов или диодных мостов. Все это усложняет схему, делает её громоздкой и ненадёжной.

Вот для таких случаев и был изобретён симистор. Поговорим о нем и о принципе работы для чайников. Главное отличие симисторов от рассмотренных выше элементов заключается в способности пропускать ток в обоих направлениях. По сути, это два тиристора с общим управлением, подключённые встречно-параллельно (рисунок. 3 А).

Условное графическое обозначение этого электронного компонента показано на Рис. 3 В. Следует заметить, что называть силовые выводы анодом и катодом будет не корректно, так как ток может проводиться в любом направлении, поэтому их обозначают Т1 и Т2. Управляющий электрод обозначается G. Для того чтобы открыть симистор, необходимо подать управляющий сигнал на соответствующий вывод. Условия для перехода симистора из одного состояния в другое и обратно в сетях переменного тока не отличаются от способов управления, рассмотренных выше.

Применяется этот тип электронных компонентов в производственной сфере, бытовых устройствах и электроинструментах для плавного регулирования тока. Это управление электродвигателями, нагревательными элементами, зарядными устройствами.

В завершение хотелось бы сказать, что и тиристоры и симисторы, коммутируя значительные токи, обладают весьма скромными размерами, при этом на их корпусе выделяется значительная тепловая мощность. Проще говоря, они сильно греются, поэтому для защиты элементов от перегрева и теплового пробоя используют теплоотвод, который в простейшем случае представляет собой алюминиевый радиатор.

8 января 2013 в 19:23
  • Электроника для начинающих

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы



Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.


К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

Тиристор. Устройство, назначение.

Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор с тремя p–n -переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями электрического равновесия: закрытым и открытым.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают три основных свойства тиристора:

1 тиристор, как и диод, проводит ток в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;

2 тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния.

3 управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из «закрытого» состояния в «открытое», значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока;

Устройство и основные виды тиристоров

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n -структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n , содержащий три последовательно соединённых p-n -перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p -слою называется анодом, к внешнему n -слою — катодом. В общем случае p-n-p-n -прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором . Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как ихВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется такжесимистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов , часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

· Между точками 0 и (Vвo,IL) находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание (нижняя ветвь).

· В точке Vво происходит включение тиристора (точка переключения динистора во включённое состояние).

· Между точками (Vво, IL) и (Vн,Iн) находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением-неустойчивая область переключения во включённое состояние. При подаче разности потенциалов между анодом и катодом тиристора прямой полярности больше Vно происходит отпирание тиристора (динисторный эффект).

· Участок от точки с координатами (Vн,Iн) и выше соответствует открытому состоянию (прямой проводимости)

· На графике показаны ВАХ с разными токами управления (токами на управляющем электроде тиристора) IG (IG=0; IG>0; IG>>0), причём чем больше ток IG, тем при меньшем напряжении Vbo происходит переключение тиристора в проводящее состояние

· Пунктиром обозначен т. н. «ток включения спрямления» (IG>>0), при котором тиристор переходит в проводящее состояние при минимальном напряжении анод-катод. Для того, чтобы перевести тиристор обратно в непроводящее состояние необходимо снизить ток в цепи анод-катод ниже тока включения спрямления.

· Участок между 0 и Vbr описывает режим обратного запирания прибора.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0-3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

принцип работы, схемы и т.д.

Триодный тиристор — специальный электронный прибор, который имеет три p-n перехода. Материал N-типа на одной стороне триодного тиристора является катодом, а материал P-типа на другой его стороне — анодом.

Схема триодного тиристора
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия триодного тиристора

Когда на катод триодного тиристора подается отрицательный потенциал, а на его анод положительный, то переходы J1 и J3 имеют прямое смещение, а переход J2 — обратное. Поскольку переход J2 имеет обратное смещение, то он ведет себя как разомкнутая цепь до тех пор, пока не появится достаточно большой подаваемый потенциал, способный преодолеть сопротивление его обедненной области.

Напряжение, подаваемое на триодный тиристор

Когда на триодный тиристор впервые подается какой-то потенциал, то очень малый ток протекает через этот прибор, так как J2 имеет обратное смещение и действует в основном как разомкнутая цепь. Когда подаваемый потенциал вырастает до значения, при котором сопротивление обедненной области J2 оказывается преодоленным, то триодный тиристор становится очень хорошим проводником и ток, идущий через него, начинает очень быстро нарастать. Потенциал, при котором триодный тиристор становится очень хорошим проводником, называется напряжением включения тиристора. Эффект подобного напряжения включения тиристоров четко виден на графике на рисунке ниже, отражающем характерную кривую триодного тиристора. Вертикальная линия отображает значения тока, протекающего через прибор, а горизонтальная линия — значения подаваемого напряжения.

Характерная кривая триодного тиристора

Как видно из графика, линия тока, протекающая через прибор, направлена почти вертикально вверх, когда достигается напряжение включения тиристора. Для того, чтобы предотвратить повреждение триодного тиристора в результате появления столь большого тока, этот прибор должен иметь либо какую-то нагрузку, либо подаваемый потенциал должен быть уменьшен.

Потенциал, который необходим для того, чтобы триодный тиристор стал хорошим проводником, может быть очень небольшим по сравнению с напряжением включения тиристора. Величина тока, протекающего через триодный тиристор в то время, когда подаваемый потенциал минимален, называется удерживающим током триодного тиристора. Триодный тиристор будет оставаться хорошим проводником до тех пор, пока ток, протекающий через него, не сравняется или не станет выше необходимого удерживающего тока. Величина напряжения, при котором происходит включение тиристора при прямом смещении, а триодный тиристор становится хорошим проводником, если контролировать, подавая положительный потенциал на материал p-типа обратно смещенного перехода (J2).

Этот материал P-типа называется затвором. Потенциал, подаваемый на затвор, называется потенциалом затвора. Когда на затвор подается положительный потенциал, то обратное смещение p-n перехода будет преодолено. А так как значение напряжения включения триодного тиристора в этом случае уменьшится, то сам прибор станет хорошим проводником при более низком напряжении, подаваемом с источника питания.

принцип действия, конструкции, типы и способы включения

Тиристор — электронный компонент, изготовленный на основе полупроводниковых материалов, может состоять из трёх или более p-n-переходов и имеет два устойчивых состояния: закрытое (низкая проводимость), открытое (высокая проводимость).

Это сухая формулировка, которая для тех, кто только начинает осваивать электротехник у, абсолютно ни о чём не говорит. Давайте разберём принцип работы этого электронного компонента для обычных людей, так сказать, для чайников, и где его можно применить. По сути, это электронный аналог выключателей, которыми вы каждый день пользуетес

Есть много типов этих элементов, обладающие различными характеристиками и имеющие различные области применения. Рассмотрим обычный однооперационный тиристор.

Способ обозначения на схемах показан на рисунке 1.

Электронный элемент имеет следующие выводы:

  • анод положительный вывод;
  • катод отрицательный вывод;
  • управляющий электрод G.

Принцип действия тиристора

Основное применение этого типа элементов это создание на их основе силовых тиристорных ключей для коммутации больших токов и их регулирования. Включение выполняется сигналом, переданным на управляющий электрод. При этом элемент является не полностью управляемым, и для его закрытия необходимо применение дополнительных мер, которые обеспечат падение величины напряжения до нуля.

Если говорить, как работает тиристор простым языком, то он, по аналогии с диодом, может проводить ток только в одном направлении, поэтому при его подключении нужно соблюдать правильную полярность . При подаче напряжения к аноду и катоду этот элемент будет оставаться закрытым до момента, когда на управляющий электрод будет подан соответствующий электрический сигнал. Теперь, независимо от наличия или отсутствия управляющего сигнала, он не изменит своего состояния и останется открытым.

Условия закрытия тиристора:

  1. Снять сигнал с управляющего электрода;
  2. Снизить до нуля напряжение на катоде и аноде.

Для сетей переменного тока выполнение этих условий не вызывает особых трудностей. Синусоидальное напряжение, изменяясь от одного амплитудного значения до другого, снижается до нулевой величины, и если в этот момент управляющего сигнала нет, то тиристор закроется.

В случае использования тиристоров в схемах постоянного тока для принудительной коммутации (закрытия тиристора) используют ряд способов, наиболее распространённым является использование конденсатора, который был предварительно заряжен. Цепь с конденсатором подключается к схеме управления тиристором. При подключении конденсатора в цепь произойдёт разряд на тиристор, ток разряда конденсатора будет направлен встречно прямому току тиристора, что приведёт к уменьшению тока в цепи до нулевого значения и тиристор закроется.

Можно подумать, что применение тиристоров неоправданно, не проще ли использовать обычный ключ? Огромным плюсом тиристора является то, что он позволяет коммутировать огромные токи в цепи анода-катода при помощи ничтожно малого управляющего сигнала, поданного в цепь управления. При этом не возникает искрения, что немаловажно для надёжности и безопасности всей схемы.

Схема включения

Схема управления может выглядеть по-разному, но в простейшем случае схема включения тиристорного ключа имеет вид, показанный на рисунке 2.

К аноду присоединена лампочка L, а к ней выключателем К2 подключается плюсовая клемма источника питания G. B. Катод соединяется с минусом питания.

После подачи питания выключателем К2 к аноду и катоду будет приложено напряжение батареи, но тиристор остаётся закрытым, лампочка не светится. Для того чтобы включить лампу, необходимо нажать на кнопку К1, сигнал через сопротивление R будет подан на управляющий электрод, тиристорный ключ изменит своё состояние на открытое, и лампочка загорится. Сопротивление ограничивает ток, подаваемый на управляющий электрод. Повторное нажатие на кнопку К1 никакого влияния на состояние схемы не оказывает.

Для закрытия электронного ключа нужно отключить схему от источника питания выключателем К2. Этот тип электронных компонентов закроется, и в случае снижения напряжения питания на аноде до определённой величины, которая зависит от его характеристик. Вот так можно описать, как работает тиристор для чайников.

Характеристики

К основным характеристикам можно отнести следующие:

Рассматриваемые элементы, кроме электронных ключей, часто применяются в регуляторах мощности, которые позволяют изменять подводимую к нагрузке мощность за счёт изменения среднего и действующего значений переменного тока. Величина тока регулируется изменением момента подачи на тиристор открывающего сигнала (за счёт варьирования угла открывания). Углом открытия (регулирования) называется время от начала полупериода до момента открытия тиристора.

Типы данных электронных компонентов

Существует немало различных типов тиристоров, но наиболее распространены, помимо тех что мы рассмотрели выше, следующие:

  • динистор элемент, коммутация которого происходит при достижении определённого значения величины напряжения, приложенного между анодом и катодом;
  • симистор;
  • оптотиристор, коммутация которого осуществляется световым сигналом.

Симисторы

Хотелось бы более подробно остановиться на симисторах. Как говорилось ранее, тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, поэтому при установке их в цепи переменного тока, такая схема регулирует один полупериод сетевого напряжения. Для регулирования обоих полупериодов необходимо установить встречно-параллельно ещё один тиристор либо применить специальные схемы с использованием мощных диодов или диодных мостов. Все это усложняет схему, делает её громоздкой и ненадёжной.

Вот для таких случаев и был изобретён симистор. Поговорим о нем и о принципе работы для чайников. Главное отличие симисторов от рассмотренных выше элементов заключается в способности пропускать ток в обоих направлениях. По сути, это два тиристора с общим управлением, подключённые встречно-параллельно (рисунок. 3 А).

Условное графическое обозначение этого электронного компонента показано на Рис. 3 В. Следует заметить, что называть силовые выводы анодом и катодом будет не корректно, так как ток может проводиться в любом направлении, поэтому их обозначают Т1 и Т2. Управляющий электрод обозначается G. Для того чтобы открыть симистор, необходимо подать управляющий сигнал на соответствующий вывод. Условия для перехода симистора из одного состояния в другое и обратно в сетях переменного тока не отличаются от способов управления, рассмотренных выше.

Применяется этот тип электронных компонентов в производственной сфере, бытовых устройствах и электроинструментах для плавного регулирования тока. Это управление электродвигателями, нагревательными элементами, зарядными устройствами.

В завершение хотелось бы сказать, что и тиристоры и симисторы, коммутируя значительные токи, обладают весьма скромными размерами, при этом на их корпусе выделяется значительная тепловая мощность. Проще говоря, они сильно греются, поэтому для защиты элементов от перегрева и теплового пробоя используют теплоотвод, который в простейшем случае представляет собой алюминиевый радиатор.

Тиристоры — это силовые электронные ключи, управляемые не полностью. Нередко в технических книгах можно увидеть еще одно название этого прибора — однооперационный тиристор. Другими словами, под воздействием управляющего сигнала он переводится в одно состояние — проводящее. Если конкретизировать, то он включает цепь. Чтобы она выключалась, необходимо создать специальные условия, которые обеспечивают падение прямого тока в цепи до нулевого значения.

Особенности тиристоров

Тиристорные ключи проводят электрический ток только в прямом направлении, причем в закрытом состоянии он выдерживает не только прямое, но и обратное напряжение. Структура тиристора четырехслойная, имеется три вывода:

  1. Анод (обозначается буквой А).
  2. Катод (буквой С или К).
  3. Управляющий электрод (У или G).

У тиристоров есть целое семейство вольт-амперных характеристик, по ним можно судить о состоянии элемента. Тиристоры — это очень мощные электронные ключи, они способны проводить коммутацию цепей, в которых напряжение может достигать 5000 вольт, а сила тока — 5000 ампер (при этом частота не превышает 1000 Гц).

Работа тиристора в цепях постоянного тока

Обычный тиристор включается путем подачи токового импульса на управляющий вывод. Причем он должен быть положительным (по отношению к катоду). Длительность переходного процесса зависит от характера нагрузки (индуктивная, активная), амплитуды и скорости нарастания в цепи управления импульса тока, температуры кристалла полупроводника, а также приложенного тока и напряжения на имеющиеся в схеме тиристоры. Характеристики схемы напрямую зависят от вида используемого полупроводникового элемента.

В той цепи, в которой находится тиристор, недопустимо возникновение большой скорости нарастания напряжения. А именно такого значения, при котором происходит самопроизвольное включение элемента (даже если нет сигнала в цепи управления). Но одновременно с этим у сигнала управления должна быть очень высокая крутизна характеристики.

Способы выключения

Можно выделить два типа коммутации тиристоров:

  1. Естественная.
  2. Принудительная.

А теперь более подробно о каждом виде. Естественная возникает тогда, когда тиристор работает в цепи переменного тока. Причем происходит эта коммутация тогда, когда ток падает до нулевого значения. А вот осуществить принудительную коммутацию можно большим количеством различных способов. Какое управление тиристором выбрать, решать разработчику схемы, но стоит поговорить о каждом типе отдельно.

Самым характерным способом принудительной коммутации является подключение конденсатора, который был заранее заряжен при помощи кнопки (ключа). LC-цепь включается в схему управления тиристором. Эта цепочка и содержит заряженный полностью конденсатор. При переходном процессе в нагрузочной цепи происходят колебания тока.

Способы принудительной коммутации

Существует еще несколько типов принудительной коммутации. Нередко применяют схему, в которой используется коммутирующий конденсатор, имеющий обратную полярность. Например, этот конденсатор может включаться в цепь при помощи какого-либо вспомогательного тиристора. При этом произойдет разряд на основной (рабочий) тиристор. Это приведет к тому, что у конденсатора ток, направленный навстречу прямому току основного тиристора, будет способствовать снижению тока в цепи вплоть до нуля. Следовательно, произойдет выключение тиристора. Это случается по той причине, что устройство тиристора имеет свои особенности, характерные только для него.

Существуют также схемы, в которых подключаются LC-цепочки. Они разряжаются (причем с колебаниями). В самом начале ток разряда течет навстречу рабочему, а после уравнивания их значений происходит выключение тиристора. После из колебательной цепочки ток перетекает через тиристор в полупроводниковый диод. При этом, покуда течет ток, к тиристору прикладывается некоторое напряжение. Оно по модулю равно падению напряжения на диоде.

Работа тиристора в цепях переменного тока

Если тиристор включить в цепь переменного тока, можно осуществить такие операции:

  1. Включить или отключить электрическую цепь с активно-резистивной или активной нагрузкой.
  2. Изменить среднее и действующее значение тока, который проходит через нагрузку, благодаря возможности регулировать момент подачи сигнала управления.

У тиристорных ключей имеется одна особенность — они проводят ток только в одном направлении. Следовательно, если необходимо использовать их в цепях приходится применять встречно-параллельное включение. Действующие и средние значения тока могут изменяться из-за того, что момент подачи сигнала на тиристоры различный. При этом мощность тиристора должна соответствовать минимальным требованиям.

Фазовый метод управления

При фазовом методе управления с коммутацией принудительного типа происходит регулировка нагрузки благодаря изменению углов между фазами. Искусственную коммутацию можно осуществить при помощи специальных цепей, либо же необходимо использовать полностью управляемые (запираемые) тиристоры. На их основе, как правило, изготавливают которое позволяет регулировать в зависимости от уровня зарядки аккумуляторной батареи.

Широтно-импульсное управление

Называют еще его ШИМ-модуляцией. Во время открытия тиристоров подается сигнал управления. Переходы открыты, а на нагрузке имеется некоторое напряжение. Во время закрытия (в течение всего переходного процесса) не подается сигнал управления, следовательно, тиристоры не проводят ток. При осуществлении фазового управления токовая кривая не синусоидальна, происходит изменение формы сигнала напряжения питания. Следовательно, происходит также нарушение работы потребителей, которые чувствительны к высокочастотным помехам (появляется несовместимость). Несложную конструкцию имеет регулятор на тиристоре, который без проблем позволит изменить необходимую величину. И не нужно применять массивные ЛАТРы.

Тиристоры запираемые

Тиристоры — это очень мощные электронные ключи, используются для коммутации высоких напряжений и токов. Но есть у них один огромный недостаток — управление неполное. А если конкретнее, то это проявляется тем, что для отключения тиристора нужно создавать условия, при котором прямой ток будет снижаться до нуля.

Именно эта особенность накладывает некоторые ограничения на использование тиристоров, а также усложняет схемы на их основе. Чтобы избавиться от такого рода недостатков, были разработаны специальные конструкции тиристоров, которые запираются сигналом по одному электроду управления. Их называют двухоперационными, или запираемыми, тиристорами.

Конструкция запираемого тиристора

Четырехслойная структура р-п-р-п у тиристоров имеет свои особенности. Они придают им отличия от обычных тиристоров. Речь сейчас идет о полной управляемости элемента. Вольт-амперная характеристика (статическая) при прямом направлении такая же, как и у простых тиристоров. Вот только прямой ток тиристор может пропускать куда больший по значению. Но функции блокировки больших обратных напряжений у запираемых тиристоров не предусмотрено. Поэтому необходимо соединять его встречно-параллельно с

Характерная особенность запираемого тиристора — это значительное падение прямых напряжений. Чтобы произвести отключение, следует осуществить подачу на управляющий вывод мощного импульса тока (отрицательного, в соотношении 1:5 к прямому значению тока). Но только длительность импульса должна быть как можно меньшей — 10… 100 мкс. Запираемые тиристоры обладают более низким значением предельного напряжения и тока, нежели обычные. Разница составляет примерно 25-30 %.

Виды тиристоров

Выше были рассмотрены запираемые, но существует еще немало типов полупроводниковых тиристоров, о которых также стоит упомянуть. В самых различных конструкциях (зарядные устройства, переключатели, регуляторы мощности) используются определенные типы тиристоров. Где-то требуется, чтобы управление проводилось путем подачи потока света, значит, используется оптотиристор. Его особенность заключается в том, что в цепи управления используется кристалл полупроводника, чувствительный к свету. Параметры тиристоров различны, у всех свои особенности, характерные только для них. Поэтому нужно хотя бы в общих чертах представлять, какие виды этих полупроводников существуют и где они могут применяться. Итак, вот весь список и основные особенности каждого типа:

  1. Диод-тиристор. Эквивалент этого элемента — тиристор, к которому подключен встречно-параллельно полупроводниковый диод.
  2. Динистор (диодный тиристор). Он может переходить в состояние полной проводимости, если превышается определенный уровень напряжения.
  3. Симистор (симметричный тиристор). Его эквивалент — два тиристора, включенных встречно-параллельно.
  4. Тиристор инверторный быстродействующий отличается высокой скоростью коммутации (5… 50 мкс).
  5. Тиристоры с управлением Часто можно встретить конструкции на основе МОП-транзисторов.
  6. Оптические тиристоры, которые управляются потоками света.

Осуществление защиты элемента

Тиристоры — это приборы, которые критичны к скоростям нарастания прямого тока и прямого напряжения. Для них, как и для полупроводниковых диодов, характерно такое явление, как протекание обратных токов восстановления, которое очень быстро и резко падает до нулевого значения, усугубляя этим вероятность возникновения перенапряжения. Это перенапряжение является следствием того, что резко прекращается ток во всех элементах схемы, которые имеют индуктивность (даже сверхмалые индуктивности, характерные для монтажа — провода, дорожки платы). Для осуществления защиты необходимо использовать разнообразные схемы, позволяющие в динамических режимах работы защититься от высоких напряжений и токов.

Как правило, источника напряжения, который входит в цепь работающего тиристора, имеет такое значение, что его более чем достаточно для того, чтобы в дальнейшем не включать в схему некоторую дополнительную индуктивность. По этой причине в практике чаще используется цепочка формирования траектории переключения, которая значительно снижает скорость и уровень перенапряжения в схеме при отключении тиристора. Емкостно-резистивные цепочки наиболее часто используются для этих целей. Они включаются с тиристором параллельно. Имеется довольно много видов схемотехнических модификаций таких цепей, а также методик их расчетов, параметров для работы тиристоров в различных режимах и условиях. А вот цепь формирования траектории переключения запираемого тиристора будет такая же, как и у транзисторов.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

  • — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
  • — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
  • — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.


Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

  • — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
  • — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
  • — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
  • — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

8 января 2013 в 19:23
  • Электроника для начинающих

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы



Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.


К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

Тиристор это полупроводниковый прибор, предназначенный для работы в качестве ключа. Он имеет три электрода и структуру p-n-p-n из четырёх слоёв полупроводника. Электроды именуются как анод, катод и управляющий электрод. Структура p-n-p-n функционально аналогична нелинейному резистору, который способен принимать два состояния:

  • с очень большим сопротивлением, выключенное;
  • с очень малым сопротивлением, включенное.

Виды

На включенном тиристоре сохраняется напряжение около одного или нескольких Вольт, которое незначительно увеличивается с возрастанием силы тока, протекающего через него. В зависимости от вида тока и напряжения, приложенного к электрической цепи с тиристором, в ней используется одна из трёх современных разновидностей этих полупроводниковых приборов. На постоянном токе работают:

  • включаемые тринисторы;
  • три разновидности запираемых тиристоров, именуемых как

На переменном и постоянном токе работают симисторы. Все эти тиристоры содержат управляющий электрод и два других электрода, через которые тёчёт ток нагрузки. Для тринисторов и запираемых тиристоров это анод и катод, для симисторов наименование этих электродов обусловлено правильностью определения свойств управляющего сигнала, подаваемого на управляющий электрод.

Наличие в тиристоре структуры p-n-p-n позволяет разделить её условно на две области, каждая из которых является биполярным транзистором соответствующей проводимости. Таким образом, эти взаимосвязанные транзисторы являются эквивалентом тиристора, что имеет вид схемы на изображении слева. Первыми на рынке появились тринисторы.

Свойства и характеристики

По сути это аналог самоблокирующегося реле с одним нормально разомкнутым контактом, роль которого выполняет полупроводниковая структура, расположенная между анодом и катодом. Отличие от реле состоит в том, что для этого полупроводникового прибора может быть применено несколько способов включения и выключения. Все эти способы объясняются транзисторным эквивалентом тринистора.

Два эквивалентных транзистора охвачены положительной обратной связью. Она многократно усиливает любые изменения тока в их полупроводниковых переходах. Поэтому существует несколько видов воздействия на электроды тринистора для его включения и выключения. Первые два способа позволяют выполнить включение по аноду.

  • Если напряжение на аноде увеличивать, при его определённом значении начнут сказываться эффекты начинающегося пробоя полупроводниковых структур транзисторов. Появившийся начальный ток лавинообразно усилится положительной обратной связью и оба транзистора включатся.
  • При достаточно быстром увеличении напряжения на аноде происходит заряд межэлектродных ёмкостей, которые присутствуют в любых электронных компонентах. При этом в электродах появляются зарядные токи этих ёмкостей, которые подхватывает положительная обратная связь и всё заканчивается включением тринистора.

Если перечисленные выше изменения напряжения отсутствуют, включение обычно происходит током базы эквивалентного n-p-n транзистора. Выключить тринистор можно одним из двух способов, которые также становятся понятны из-за взаимодействия эквивалентных транзисторов. Положительная обратная связь в них действует, начиная с некоторых величин токов, протекающих в структуре p-n-p-n. Если величину тока сделать меньше этих величин, положительная обратная связь сработает на быстрое исчезновение токов.

Другой способ выключения использует прерывание положительной обратной связи импульсом напряжения, который меняет полярность на аноде и катоде. При таком воздействии направления токов между электродами изменяется на противоположные и тринистор выключается. Поскольку для полупроводниковых материалов характерно явление фотоэффекта, существуют фото- и оптотиристоры, у которых включение может быть обусловлено освещением либо приёмного окошка, либо светодиодом в корпусе этого полупроводникового прибора.

Существуют ещё и так называемые динисторы (неуправляемые тиристоры). В этих полупроводниковых приборах нет управляющего электрода конструктивно. По своей сути это тринистор с одним отсутствующим выводом. Поэтому их состояние зависит только от напряжения анода и катода и они не могут включиться управляющим сигналом. В остальном процессы в них аналогичны обычным тринисторам. То же относится и к симисторам, которые по сути являются двумя тринисторами соединёнными параллельно. Поэтому они применяются для управления переменным током без дополнительных диодов.

Запираемые тиристоры

Если определённым образом изготовить области структуры p-n-p-n вблизи баз эквивалентных транзисторов можно достичь полной управляемости тиристором со стороны управляющего электрода. Такая конструкция структуры p-n-p-n показана на изображении слева. Включать и выключать такой тиристор можно соответствующими сигналами в любой момент времени подавая их на управляющий электрод. Остальные способы включения, применяемые к тринисторам, для запираемых тиристоров так же годятся.

Однако эти способы не применяются к таким полупроводниковым приборам. Они наоборот исключаются теми или иными схемотехническими решениями. Целью является получение надёжного включения и выключения только по управляющему электроду. Это необходимо для использования таких тиристоров в мощных инверторах повышенной частоты. GTO работают на частотах до 300 Герц, а IGCT способны на существенно более высокие частоты, достигающие 2 кГц. Номинальные значения токов могут быть несколько тысяч ампер, а напряжение – несколько киловольт.

Сравнение различных тиристоров приведено в таблице ниже.

Разновидность тиристора Преимущества Недостатки Где используется
Тринистор Минимальное напряжение во включенном состоянии при максимально больших токах и перегрузках. Наиболее надёжен из всех. Хорошая масштабируемость схем путём совместной работы нескольких тринисторв соединяемых либо параллельно, либо последовательно Отсутствует возможность произвольного управляемого отключения только управляющим электродом. Наиболее низкие рабочие частоты. Электроприводы, источники электропитания питания большой мощности; сварочные инверторы; управление мощными нагревателями; статические компенсаторы; коммутаторы в цепях с переменным током
GTO Возможность произвольного управляемого выключения. Относительно высокая способность к перегрузкам по току. Способность надёжно работать при последовательном соединении. Рабочая частота до 300 Гц, напряжение до 4000 В. Значительно напряжение во включенном состоянии при максимально больших токах и перегрузках и соответствующие им потери, в том числе и в системах управления. Сложная схемотехника построения системы в целом. Большие динамические потер.
IGCT Возможность произвольного управляемого выключения. Относительно высокая способность к перегрузкам по току. Относительно малое напряжение во включенном состоянии при максимально больших токах и перегрузках. Рабочая частота — до 2000 Гц. Простое управление. Способность надёжно работать при последовательном соединении. Наиболее дорогие из всех тиристоров Электроприводы; статические компенсаторы реактивной мощности; источники электропитания питания большой мощности, индукционные нагреватели

Тиристоры изготавливаются для широкого диапазона токов и напряжений. Конструкция их определяется размерами структуры p-n-p-n и необходимостью получения надёжного отвода тепла от неё. Современные тиристоры, а также их обозначения на электрических схемах показаны на изображениях ниже.

Тиристор – принцип работы, устройство и схема управления. Тиристоры

Тиристоры — это силовые электронные ключи, управляемые не полностью. Нередко в технических книгах можно увидеть еще одно название этого прибора — однооперационный тиристор. Другими словами, под воздействием управляющего сигнала он переводится в одно состояние — проводящее. Если конкретизировать, то он включает цепь. Чтобы она выключалась, необходимо создать специальные условия, которые обеспечивают падение прямого тока в цепи до нулевого значения.

Особенности тиристоров

Тиристорные ключи проводят электрический ток только в прямом направлении, причем в закрытом состоянии он выдерживает не только прямое, но и обратное напряжение. Структура тиристора четырехслойная, имеется три вывода:

  1. Анод (обозначается буквой А).
  2. Катод (буквой С или К).
  3. Управляющий электрод (У или G).

У тиристоров есть целое семейство вольт-амперных характеристик, по ним можно судить о состоянии элемента. Тиристоры — это очень мощные электронные ключи, они способны проводить коммутацию цепей, в которых напряжение может достигать 5000 вольт, а сила тока — 5000 ампер (при этом частота не превышает 1000 Гц).

Работа тиристора в цепях постоянного тока

Обычный тиристор включается путем подачи токового импульса на управляющий вывод. Причем он должен быть положительным (по отношению к катоду). Длительность переходного процесса зависит от характера нагрузки (индуктивная, активная), амплитуды и скорости нарастания в цепи управления импульса тока, температуры кристалла полупроводника, а также приложенного тока и напряжения на имеющиеся в схеме тиристоры. Характеристики схемы напрямую зависят от вида используемого полупроводникового элемента.

В той цепи, в которой находится тиристор, недопустимо возникновение большой скорости нарастания напряжения. А именно такого значения, при котором происходит самопроизвольное включение элемента (даже если нет сигнала в цепи управления). Но одновременно с этим у сигнала управления должна быть очень высокая крутизна характеристики.

Способы выключения

Можно выделить два типа коммутации тиристоров:

  1. Естественная.
  2. Принудительная.

А теперь более подробно о каждом виде. Естественная возникает тогда, когда тиристор работает в цепи переменного тока. Причем происходит эта коммутация тогда, когда ток падает до нулевого значения. А вот осуществить принудительную коммутацию можно большим количеством различных способов. Какое управление тиристором выбрать, решать разработчику схемы, но стоит поговорить о каждом типе отдельно.

Самым характерным способом принудительной коммутации является подключение конденсатора, который был заранее заряжен при помощи кнопки (ключа). LC-цепь включается в схему управления тиристором. Эта цепочка и содержит заряженный полностью конденсатор. При переходном процессе в нагрузочной цепи происходят колебания тока.

Способы принудительной коммутации

Существует еще несколько типов принудительной коммутации. Нередко применяют схему, в которой используется коммутирующий конденсатор, имеющий обратную полярность. Например, этот конденсатор может включаться в цепь при помощи какого-либо вспомогательного тиристора. При этом произойдет разряд на основной (рабочий) тиристор. Это приведет к тому, что у конденсатора ток, направленный навстречу прямому току основного тиристора, будет способствовать снижению тока в цепи вплоть до нуля. Следовательно, произойдет выключение тиристора. Это случается по той причине, что устройство тиристора имеет свои особенности, характерные только для него.

Существуют также схемы, в которых подключаются LC-цепочки. Они разряжаются (причем с колебаниями). В самом начале ток разряда течет навстречу рабочему, а после уравнивания их значений происходит выключение тиристора. После из колебательной цепочки ток перетекает через тиристор в полупроводниковый диод. При этом, покуда течет ток, к тиристору прикладывается некоторое напряжение. Оно по модулю равно падению напряжения на диоде.

Работа тиристора в цепях переменного тока

Если тиристор включить в цепь переменного тока, можно осуществить такие операции:

  1. Включить или отключить электрическую цепь с активно-резистивной или активной нагрузкой.
  2. Изменить среднее и действующее значение тока, который проходит через нагрузку, благодаря возможности регулировать момент подачи сигнала управления.

У тиристорных ключей имеется одна особенность — они проводят ток только в одном направлении. Следовательно, если необходимо использовать их в цепях приходится применять встречно-параллельное включение. Действующие и средние значения тока могут изменяться из-за того, что момент подачи сигнала на тиристоры различный. При этом мощность тиристора должна соответствовать минимальным требованиям.

Фазовый метод управления

При фазовом методе управления с коммутацией принудительного типа происходит регулировка нагрузки благодаря изменению углов между фазами. Искусственную коммутацию можно осуществить при помощи специальных цепей, либо же необходимо использовать полностью управляемые (запираемые) тиристоры. На их основе, как правило, изготавливают которое позволяет регулировать в зависимости от уровня зарядки аккумуляторной батареи.

Широтно-импульсное управление

Называют еще его ШИМ-модуляцией. Во время открытия тиристоров подается сигнал управления. Переходы открыты, а на нагрузке имеется некоторое напряжение. Во время закрытия (в течение всего переходного процесса) не подается сигнал управления, следовательно, тиристоры не проводят ток. При осуществлении фазового управления токовая кривая не синусоидальна, происходит изменение формы сигнала напряжения питания. Следовательно, происходит также нарушение работы потребителей, которые чувствительны к высокочастотным помехам (появляется несовместимость). Несложную конструкцию имеет регулятор на тиристоре, который без проблем позволит изменить необходимую величину. И не нужно применять массивные ЛАТРы.

Тиристоры запираемые

Тиристоры — это очень мощные электронные ключи, используются для коммутации высоких напряжений и токов. Но есть у них один огромный недостаток — управление неполное. А если конкретнее, то это проявляется тем, что для отключения тиристора нужно создавать условия, при котором прямой ток будет снижаться до нуля.

Именно эта особенность накладывает некоторые ограничения на использование тиристоров, а также усложняет схемы на их основе. Чтобы избавиться от такого рода недостатков, были разработаны специальные конструкции тиристоров, которые запираются сигналом по одному электроду управления. Их называют двухоперационными, или запираемыми, тиристорами.

Конструкция запираемого тиристора

Четырехслойная структура р-п-р-п у тиристоров имеет свои особенности. Они придают им отличия от обычных тиристоров. Речь сейчас идет о полной управляемости элемента. Вольт-амперная характеристика (статическая) при прямом направлении такая же, как и у простых тиристоров. Вот только прямой ток тиристор может пропускать куда больший по значению. Но функции блокировки больших обратных напряжений у запираемых тиристоров не предусмотрено. Поэтому необходимо соединять его встречно-параллельно с

Характерная особенность запираемого тиристора — это значительное падение прямых напряжений. Чтобы произвести отключение, следует осуществить подачу на управляющий вывод мощного импульса тока (отрицательного, в соотношении 1:5 к прямому значению тока). Но только длительность импульса должна быть как можно меньшей — 10… 100 мкс. Запираемые тиристоры обладают более низким значением предельного напряжения и тока, нежели обычные. Разница составляет примерно 25-30 %.

Виды тиристоров

Выше были рассмотрены запираемые, но существует еще немало типов полупроводниковых тиристоров, о которых также стоит упомянуть. В самых различных конструкциях (зарядные устройства, переключатели, регуляторы мощности) используются определенные типы тиристоров. Где-то требуется, чтобы управление проводилось путем подачи потока света, значит, используется оптотиристор. Его особенность заключается в том, что в цепи управления используется кристалл полупроводника, чувствительный к свету. Параметры тиристоров различны, у всех свои особенности, характерные только для них. Поэтому нужно хотя бы в общих чертах представлять, какие виды этих полупроводников существуют и где они могут применяться. Итак, вот весь список и основные особенности каждого типа:

  1. Диод-тиристор. Эквивалент этого элемента — тиристор, к которому подключен встречно-параллельно полупроводниковый диод.
  2. Динистор (диодный тиристор). Он может переходить в состояние полной проводимости, если превышается определенный уровень напряжения.
  3. Симистор (симметричный тиристор). Его эквивалент — два тиристора, включенных встречно-параллельно.
  4. Тиристор инверторный быстродействующий отличается высокой скоростью коммутации (5… 50 мкс).
  5. Тиристоры с управлением Часто можно встретить конструкции на основе МОП-транзисторов.
  6. Оптические тиристоры, которые управляются потоками света.

Осуществление защиты элемента

Тиристоры — это приборы, которые критичны к скоростям нарастания прямого тока и прямого напряжения. Для них, как и для полупроводниковых диодов, характерно такое явление, как протекание обратных токов восстановления, которое очень быстро и резко падает до нулевого значения, усугубляя этим вероятность возникновения перенапряжения. Это перенапряжение является следствием того, что резко прекращается ток во всех элементах схемы, которые имеют индуктивность (даже сверхмалые индуктивности, характерные для монтажа — провода, дорожки платы). Для осуществления защиты необходимо использовать разнообразные схемы, позволяющие в динамических режимах работы защититься от высоких напряжений и токов.

Как правило, источника напряжения, который входит в цепь работающего тиристора, имеет такое значение, что его более чем достаточно для того, чтобы в дальнейшем не включать в схему некоторую дополнительную индуктивность. По этой причине в практике чаще используется цепочка формирования траектории переключения, которая значительно снижает скорость и уровень перенапряжения в схеме при отключении тиристора. Емкостно-резистивные цепочки наиболее часто используются для этих целей. Они включаются с тиристором параллельно. Имеется довольно много видов схемотехнических модификаций таких цепей, а также методик их расчетов, параметров для работы тиристоров в различных режимах и условиях. А вот цепь формирования траектории переключения запираемого тиристора будет такая же, как и у транзисторов.

Тиристор — электронный компонент, изготовленный на основе полупроводниковых материалов, может состоять из трёх или более p-n-переходов и имеет два устойчивых состояния: закрытое (низкая проводимость), открытое (высокая проводимость).

Это сухая формулировка, которая для тех, кто только начинает осваивать электротехник у, абсолютно ни о чём не говорит. Давайте разберём принцип работы этого электронного компонента для обычных людей, так сказать, для чайников, и где его можно применить. По сути, это электронный аналог выключателей, которыми вы каждый день пользуетес

Есть много типов этих элементов, обладающие различными характеристиками и имеющие различные области применения. Рассмотрим обычный однооперационный тиристор.

Способ обозначения на схемах показан на рисунке 1.

Электронный элемент имеет следующие выводы:

  • анод положительный вывод;
  • катод отрицательный вывод;
  • управляющий электрод G.

Принцип действия тиристора

Основное применение этого типа элементов это создание на их основе силовых тиристорных ключей для коммутации больших токов и их регулирования. Включение выполняется сигналом, переданным на управляющий электрод. При этом элемент является не полностью управляемым, и для его закрытия необходимо применение дополнительных мер, которые обеспечат падение величины напряжения до нуля.

Если говорить, как работает тиристор простым языком, то он, по аналогии с диодом, может проводить ток только в одном направлении, поэтому при его подключении нужно соблюдать правильную полярность . При подаче напряжения к аноду и катоду этот элемент будет оставаться закрытым до момента, когда на управляющий электрод будет подан соответствующий электрический сигнал. Теперь, независимо от наличия или отсутствия управляющего сигнала, он не изменит своего состояния и останется открытым.

Условия закрытия тиристора:

  1. Снять сигнал с управляющего электрода;
  2. Снизить до нуля напряжение на катоде и аноде.

Для сетей переменного тока выполнение этих условий не вызывает особых трудностей. Синусоидальное напряжение, изменяясь от одного амплитудного значения до другого, снижается до нулевой величины, и если в этот момент управляющего сигнала нет, то тиристор закроется.

В случае использования тиристоров в схемах постоянного тока для принудительной коммутации (закрытия тиристора) используют ряд способов, наиболее распространённым является использование конденсатора, который был предварительно заряжен. Цепь с конденсатором подключается к схеме управления тиристором. При подключении конденсатора в цепь произойдёт разряд на тиристор, ток разряда конденсатора будет направлен встречно прямому току тиристора, что приведёт к уменьшению тока в цепи до нулевого значения и тиристор закроется.

Можно подумать, что применение тиристоров неоправданно, не проще ли использовать обычный ключ? Огромным плюсом тиристора является то, что он позволяет коммутировать огромные токи в цепи анода-катода при помощи ничтожно малого управляющего сигнала, поданного в цепь управления. При этом не возникает искрения, что немаловажно для надёжности и безопасности всей схемы.

Схема включения

Схема управления может выглядеть по-разному, но в простейшем случае схема включения тиристорного ключа имеет вид, показанный на рисунке 2.

К аноду присоединена лампочка L, а к ней выключателем К2 подключается плюсовая клемма источника питания G. B. Катод соединяется с минусом питания.

После подачи питания выключателем К2 к аноду и катоду будет приложено напряжение батареи, но тиристор остаётся закрытым, лампочка не светится. Для того чтобы включить лампу, необходимо нажать на кнопку К1, сигнал через сопротивление R будет подан на управляющий электрод, тиристорный ключ изменит своё состояние на открытое, и лампочка загорится. Сопротивление ограничивает ток, подаваемый на управляющий электрод. Повторное нажатие на кнопку К1 никакого влияния на состояние схемы не оказывает.

Для закрытия электронного ключа нужно отключить схему от источника питания выключателем К2. Этот тип электронных компонентов закроется, и в случае снижения напряжения питания на аноде до определённой величины, которая зависит от его характеристик. Вот так можно описать, как работает тиристор для чайников.

Характеристики

К основным характеристикам можно отнести следующие:

Рассматриваемые элементы, кроме электронных ключей, часто применяются в регуляторах мощности, которые позволяют изменять подводимую к нагрузке мощность за счёт изменения среднего и действующего значений переменного тока. Величина тока регулируется изменением момента подачи на тиристор открывающего сигнала (за счёт варьирования угла открывания). Углом открытия (регулирования) называется время от начала полупериода до момента открытия тиристора.

Типы данных электронных компонентов

Существует немало различных типов тиристоров, но наиболее распространены, помимо тех что мы рассмотрели выше, следующие:

  • динистор элемент, коммутация которого происходит при достижении определённого значения величины напряжения, приложенного между анодом и катодом;
  • симистор;
  • оптотиристор, коммутация которого осуществляется световым сигналом.

Симисторы

Хотелось бы более подробно остановиться на симисторах. Как говорилось ранее, тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, поэтому при установке их в цепи переменного тока, такая схема регулирует один полупериод сетевого напряжения. Для регулирования обоих полупериодов необходимо установить встречно-параллельно ещё один тиристор либо применить специальные схемы с использованием мощных диодов или диодных мостов. Все это усложняет схему, делает её громоздкой и ненадёжной.

Вот для таких случаев и был изобретён симистор. Поговорим о нем и о принципе работы для чайников. Главное отличие симисторов от рассмотренных выше элементов заключается в способности пропускать ток в обоих направлениях. По сути, это два тиристора с общим управлением, подключённые встречно-параллельно (рисунок. 3 А).

Условное графическое обозначение этого электронного компонента показано на Рис. 3 В. Следует заметить, что называть силовые выводы анодом и катодом будет не корректно, так как ток может проводиться в любом направлении, поэтому их обозначают Т1 и Т2. Управляющий электрод обозначается G. Для того чтобы открыть симистор, необходимо подать управляющий сигнал на соответствующий вывод. Условия для перехода симистора из одного состояния в другое и обратно в сетях переменного тока не отличаются от способов управления, рассмотренных выше.

Применяется этот тип электронных компонентов в производственной сфере, бытовых устройствах и электроинструментах для плавного регулирования тока. Это управление электродвигателями, нагревательными элементами, зарядными устройствами.

В завершение хотелось бы сказать, что и тиристоры и симисторы, коммутируя значительные токи, обладают весьма скромными размерами, при этом на их корпусе выделяется значительная тепловая мощность. Проще говоря, они сильно греются, поэтому для защиты элементов от перегрева и теплового пробоя используют теплоотвод, который в простейшем случае представляет собой алюминиевый радиатор.

Тиристоры

I. Назначение

Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более) р-п -переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов. Они переключают электрические цепи, регулируют напряжение, преобразуют постоянный ток в переменный. По устройству и принципу работы он очень похож на полупроводниковый диод, но в отличие от него тиристор управляемый.

«Ключевой» характер действия тринистора позволяет использовать его для переключения электрических цепей там, где для этой цели до этого служили только электромагнитные реле. Полупроводниковые переключатели легче, компактнее и во много раз надежнее в работе, чем электромагнитные реле с механически замыкаемыми контактами. В отличие от таких реле они производят переключение с очень большой скоростью — сотни и тысячи раз в секунду, а если нужно — еще быстрее. Тринисторы используют в современной аппаратуре электрической связи, в быстродействующих системах дистанционного управления, в вычислительных машинах и в энергетических устройствах.

II. Классификация

В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные и триодные. В диодных тиристорах различают:

    тиристоры, запираемые в обратном направлении;

    проводящие в обратном направлении;

    симметричные.

Триодные тиристоры подразделяют:

    на запираемые в обратном направлении с управлением по аноду или катоду;

    проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду;

Наиболее распространены динисторы — тиристоры с двумя выводами и тринисторы — приборы с тремя выводами. Кроме того, различают группу включаемых тиристоров.

Простейшие диодные тиристоры, запираемые в обратном направлении, обычно изготовляются из кремния и содержат четыре чередующихся р- и п- области (рис.2.2). Область р 1 , в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом , область п 2 – катодом ; области п 1 , р 2 – базами .

Рис.2.2. Структура тиристора .

III. Принцип действия

Если к аноду р 1 подключить плюс источника напряжения, а к катоду п 2 – минус, то переходы П 1 и П 3 окажутся открытыми, а переход П 2 – закрытым. Его называют коллекторным переходом.

Так как коллекторный р-п -переход смещен в обратном направлении, то до определенного значения напряжения почти все приложенное падает на нем. Такая структура легко может быть представлена в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на рис. 2.3, а,б.

а) б)

Рис. 2.3. Структура (а) и схема двухтранзисторного эквивалента тиристора (б).

Ток цепи определяется током коллекторного перехода П 2 . Он однозначно зависит от потока дырок
из эмиттера транзисторар-п р — типа и потока электронов
из эмиттера транзистора п р п — типа, а также от обратного тока р-п -перехода.

Так как переходы П 1 и П 3 смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки из области р 1 , электроны – из области п 2 . Эти носители заряда, диффундируя в областях баз п 1 , р 2 , приближаются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через р-п -переход. Дырки, инжектированные из р 1 -области, и электроны из п 2 движутся через переход П 2 в противоположных направлениях, создавая общий ток I .

При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе П 2 . Поэтому к переходам П 1 3 , имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход П . При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала меняется незначительно. При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода П 2 , все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенном напряжении носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами в области р-п -перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда.

Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область р 2 , а электроны – в область п 1 . Ток через переход П 2 увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П 1 , П 3 , и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и увеличение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода П 2 становится малым.

Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей тиристора, и падение напряжения на приборе становится незначительным. На ВАХ этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис.2.4). После переключения ВАХ аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию тиристора.

Выключение тиристора осуществляется за счет уменьшения напряжения внешнего источника до значения, при котором ток
меньше(участок 3).

Рис. 2.4. Вольтамперная характеристика динистора

Если параллельно с тиристором включить диод, который открывается при обратном напряжении, то получится тиристор, проводящий в обратном направлении.

Триодные тиристоры (рис. 2.5,а ) отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом .

Рис. 2.5. Триодный тиристор:

Изменяя ток можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом его включения.

Для того, чтобы запереть тиристор, нужно либо уменьшить рабочий ток до значения
путем понижения питающего напряжения до значения, либо задать в цепи управляющего электрода импульс тока противоположной полярности.

Процесс включения и выключения тиристора поясняет рис.2.5,в . Если к нему через резистор R приложено напряжение U 1 и ток в цепи управляющего электрода равен нулю, то тиристор заперт. Рабочая точка находится в положении а . Пи увеличении тока управляющего электрода рабочая точка перемещается по линии нагрузки 1. Когда ток управляющего электрода достигнет значения I y 1 , тиристор включится, и рабочая точка его переместится в точку b . Для выключения (I y = 0) необходимо уменьшить напряжение питания до значения
. При этом рабочая точка изb 1 перейдет в а 2 и при восстановлении напряжения – в точку а .

Выключить тиристор можно также путем подачи на управляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока.

Недостатком такого включения является большое значение обратного тока управляющего электрода, которое приближается к значению коммутируемого тока тиристора. Отношение амплитуды тока тиристора к амплитуде импульса выключающего тока управляющего электрода называется коэффициентом запирания :
. Он характеризует эффективность включения тиристора с помощью управляющего электрода. В ряде разработок

Тиристоры с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми .

IV. Основные параметры тиристоров


Обозначения тиристоров в соответствии с ГОСТ 10862 – 72 состоят из шести элементов. Первый элемент – буква К, указывающая исходный материал полупроводника; второй – буква Н для диодных тиристоров и У для триодных; третий – цифра, определяющая назначение прибора; четвертый и пятый – порядковый номер разработки; шестой – буква, определяющая технологию изготовления, например КУ201А, КН102И и т.д.

Тиристоры — это разновидность полупроводниковых приборов. Они предназначены для регулирования и коммутации больших токов. Тиристор позволяет коммутировать электрическую цепь при подаче на него управляющего сигнала. Это делает его похожим на транзистор.

Как правило, тиристор имеет три вывода, один из которых управляющий, а два других образуют путь для протекания тока. Как мы знаем, транзистор открывается пропорционально величине управляющего тока. Чем он больше, тем больше открывается транзистор, и наоборот. А у тиристора все устроено иначе. Он открывается полностью, скачкообразно. И что самое интересное, не закрывается даже при отсутствии управляющего сигнала.

Принцип действия

Рассмотрим работу тиристора по следующей простой схеме.

К аноду тиристора подключается лампочка или светодиод, а к ней подсоединяется плюсовой вывод источника питания через выключатель К2. Катод тиристора подключен к минусу питания. После включения цепи на тиристор подается напряжение, однако светодиод не горит.

Если нажать на кнопку К1, ток через резистор поступит на управляющий электрод, и светодиод начал светиться. Часто на схемах его обозначают буквой «G», что обозначает gate, или по-русски затвор (управляющий вывод).

Резистор ограничивает ток управляющего вывода. Минимальный ток срабатывания данного рассматриваемого тиристора составляет 1 мА, а максимально допустимый ток 15 мА. С учетом этого в нашей схеме подобран резистор сопротивлением 1 кОм.

Если снова нажать на кнопку К1, то это не повлияет на тиристор, и ничего не произойдет. Чтобы перевести тиристор в закрытое состояние, нужно отключить питание выключателем К2. Если же снова подать питание, то тиристор вернется в исходное состояние.

Этот полупроводниковый прибор, по сути, представляет собой электронный ключ с фиксацией. Переход в закрытое состояние происходит и тогда, когда напряжение питания на аноде уменьшается до определенного минимума, примерно 0,7 вольта.

Особенности устройства

Фиксация включенного состояния происходит благодаря особенности внутреннего устройства тиристора. Примерная схема выглядит таким образом:

Обычно он представляется в виде двух транзисторов разной структуры, связанных между собой. Опытным путем можно проверить, как работают транзисторы, подключенные по такой схеме. Однако, имеются отличия в вольтамперной характеристике. И еще нужно учитывать, что приборы изначально спроектированы так, чтобы выдерживать большие токи и напряжения. На корпусе большинства таких приборов имеется металлический отвод, на который можно закрепить радиатор для рассеивания тепловой энергии.

Тиристоры выполняются в различных корпусах. Маломощные приборы не имеют теплового отвода. Распространенные отечественные тиристоры выглядят следующим образом. Они имеют массивный металлический корпус и выдерживают большие токи.

Основные параметры тиристоров
  • Максимально допустимый прямой ток . Это максимальное значение тока открытого тиристора. У мощных приборов оно достигает сотен ампер.
  • Максимально допустимый обратный ток .
  • Прямое напряжение . Это падение напряжения при максимальном токе.
  • Обратное напряжение . Это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии, при котором тиристор может работать без нарушения его работоспособности.
  • Напряжение включения . Это минимальное напряжение, приложенное к аноду. Здесь имеется ввиду минимальное напряжение, при котором вообще возможна работа тиристора.
  • Минимальный ток управляющего электрода . Он необходим для включения тиристора.
  • Максимально допустимый ток управления .
  • Максимально допустимая рассеиваемая мощность .
Динамический параметр

Время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое при поступлении сигнала.

Виды тиристоров

Различают несколько разновидностей тиристоров. Рассмотрим их классификацию.

По способу управления разделяют на:

  • Диодные тиристоры, или по-другому динисторы. Они открываются импульсом высокого напряжения, которое подается на катод и анод.
  • Триодные тиристоры, или тринисторы. Они открываются током управления электродом.

Триодные тиристоры в свою очередь разделяются:

  • Управление катодом – напряжение, образующее ток управления, поступает на электрод управления и катод.
  • Управление анодом – управляющее напряжение подходит на электрод и анод.

Запирание тиристора производится:

  • Уменьшением анодного тока – катод меньше тока удержания.
  • Подачей напряжения запирания на электрод управления.

По обратной проводимости тиристоры делятся:

  • Обратно-проводящие – имеют малое обратное напряжение.
  • Обратно-непроводящие – обратное напряжение равно наибольшему прямому напряжению в закрытом виде.
  • С ненормируемым обратным значением напряжения – изготовители не определяют значение этой величины. Такие приборы применяются в местах, где обратное напряжение исключено.
  • Симистор – пропускает токи в двух направлениях.

Используя симисторы, нужно знать, что они действуют условно симметрично. Основная часть симисторов открывается, когда на электрод управления поступает положительное напряжение по сравнению с катодом, а на аноде может быть любая полярность. Но если на анод приходит отрицательное напряжение, а на электрод управления положительное, то симисторы не открываются, и могут выйти из строя.

По быстродействию разделяют по времени отпирания (включения) и времени запирания (отключения).

Разделение тиристоров по мощности

При действии тиристора в режиме ключа наибольшая мощность коммутируемой нагрузки определяется напряжением на тиристоре в открытом виде при наибольшем токе и наибольшей рассеиваемой мощности.

Действующая величина тока на нагрузку не должна быть выше наибольшей рассеиваемой мощности, разделенной на напряжение в открытом виде.

Простая сигнализация на основе тиристора

На основе тиристора можно сделать простую сигнализацию, которая будет реагировать на свет, издавая звук с помощью пьезоизлучателя. На управляющий вывод тиристора подается ток через фоторезистор и подстроечный резистор. Свет, попадая на фоторезистор, уменьшает его сопротивление. И на управляющий вывод тиристора начинает поступать отпирающий ток, достаточный для его открывания. После этого включается пищалка.

Подстроечный резистор предназначен для того, чтобы настроить чувствительность устройства, то есть, порог срабатывания при облучении светом. Самое интересное, что даже при отсутствии света тиристор продолжает оставаться в открытом состоянии, и сигнализирование не прекращается.

Если напротив светочувствительного элемента установить световой луч так, чтобы он светил немного ниже окошечка, то получится простейший датчик дыма. Дым, попадая между источником и приемником света, будет рассеивать свет, что вызовет запуск сигнализации. Для этого устройства обязательно нужен корпус, для того, чтобы на приемник света не поступал свет от солнца или искусственных источников света.

Открыть тиристор можно и другим способом. Для этого достаточно кратковременно подать небольшое напряжение между управляющим выводом и катодом.

Регулятор мощности на тиристоре

Теперь рассмотрим использование тиристора по прямому назначению. Рассмотрим схему простого тиристорного регулятора мощности, который будет работать от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Схема простая и содержит всего пять деталей.

  • Полупроводниковый диод VD.
  • Переменный резистор R1.
  • Постоянный резистор R2.
  • Конденсатор С.
  • Тиристор VS.

Их рекомендованные номинальные значения показаны на схеме. В качестве диода можно использовать КД209, тиристор КУ103В или мощнее. Резисторы желательно использовать мощностью не менее 2 ватт, конденсатор электролитический на напряжение не менее 50 вольт.

Эта схема регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Если представить, что мы из схемы убрали все элементы, кроме диода, то он будет пропускать только полуволну переменного тока, и на нагрузку, к примеру, на паяльник или лампу накаливания поступит лишь половина мощности.

Тиристор позволяет пропускать дополнительные, условно говоря, кусочки полупериода, срезанного диодом. При изменении положения переменного резистора R1 напряжение на выходе будет меняться.

К положительному выводу конденсатора включен управляющий вывод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, он открывается и пропускает определенную часть положительного полупериода. Переменный резистор будет определять скорость зарядки конденсатора. А чем быстрее он зарядится, тем раньше откроется тиристор, и успеет до смены полярности пропустить часть положительного полупериода.

На конденсатор отрицательная полуволна не поступает, и напряжение на нем одной полярности, поэтому не страшно, что он имеет полярность. Схема позволяет изменять мощность от 50 до 100%. Для паяльника это в самый раз подходит.

Тиристор пропускает ток в одном направлении от анода к катоду. Но существуют разновидности, которые пропускают ток в обоих направлениях. Они называются симметричные тиристоры или симисторы. Они используются для управления нагрузкой в цепях переменного тока. Существует большое количество схем регуляторов мощности на их основе.

Появление четырехслойных p-n-p-n полупроводниковых элементов совершило настоящий прорыв в силовой электронике. Такие устройства получили название «тиристоров». Кремниевые управляемые вентили являются наиболее распространенным семейством тиристоров.

Данный вид полупроводниковых приборов имеет следующую структуру:

Как видим из структурной схемы тиристор имеет три вывода – катод, управляющий электрод и анод. Подключению к силовым цепям подлежат анод и катод, а управляющий электрод подключается к системе управления (слаботочные сети) для управляемого открытия тиристора.

На принципиальных схемах тиристор имеет такое обозначение:

Вольт-амперная характеристика показана ниже:

Давайте подробнее рассмотрим эту характеристику.

Обратная ветвь характеристики

В третьем квадранте характеристики диодов и тиристоров равны. Если к аноду приложить отрицательный потенциал относительно катода, то к J 1 и J 3 прикладывается обратное напряжение, а к J 2 — прямое, что вызовет протекание тока обратного (он очень мал, как правило несколько миллиампер). Когда же это напряжение увеличится до так называемого напряжения пробоя, произойдет лавинное нарастание тока между J 1 и J 3 . При этом, если данный ток не будет ограничен, то произойдет пробой перехода с последующим выходом из строя тиристора. При обратных же напряжениях, которые не превышают напряжения пробоя, тиристор будет вести себя как резистор с большим сопротивлением.

Зона низкой проводимости

В данной зоне все наоборот. Потенциал катода будет отрицательный по отношению к потенциалу анода. Поэтому к J 1 и J 3 будет приложено прямое, а к J 2 – обратное напряжение. Результатом чего станет весьма малый анодный ток.

Зона высокой проводимости

Если напряжение на участке анод – катод достигнет значения, так называемого напряжением переключения, то произойдет лавинный пробой перехода J 2 и тиристор будет переведен в состояние высокой проводимости. При этом U a снизится от нескольких сотен до 1 — 2 вольт. Оно будет зависеть от типа тиристора. В зоне высокой проводимости ток, протекающий через анод, будет зависеть от нагрузки внешней элемента, что дает возможность рассматривать его в этой зоне как замкнутый ключ.

Если пропустить ток через управляющий электрод, то напряжение включения тиристора уменьшится. Оно напрямую зависит от тока управляющего электрода и при достаточно большом его значении практически равно нулю. При выборе тиристора для работы в схеме, то его подбирают таким образом, чтоб напряжения обратное и прямое не превышали паспортных значений напряжений пробоя и переключения. Если эти условия выполнить трудно, или имеется большой разброс в параметрах элементов (например необходим тиристор на 6300 В, а его ближайшие значения 1200 В), то иногда применяют или включение элементов.

В нужный момент времени с помощью подачи импульса на управляющий электрод можно перевести тиристор с закрытого состояния в зону высокой проводимости. Ток УЭ, как правило, должен быть выше минимального тока открытия и он составляет порядка 20-200 мА.

Когда анодный ток достигнет определенного значения, при котором запирания тиристора невозможно (ток переключения), управляющий импульс может быть снят. Теперь тиристор сможет перейти обратно в закрытое состояние только при уменьшении тока ниже, чем ток удержания, или прикладыванием к нему напряжения обратной полярности.

Видео работы и графики переходных процессов

Тиристор принцип работы. Как работает тиристор. Режим обратного запирания

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

  1. Прокол обеднённой области .

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение , отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис. 3). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины W n1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше W n1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 4 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок , инжектируемых переходом J1, и электронов , инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера I E , коллектора I C и базы I B и статическим коэффициентом усиления по току α 1 p-n-p транзистора также приведена на рис. 4, где I Со — обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Рис. 4. Двухтранзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов и соотношение токов в p-n-p транзисторе.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток I g втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен I B1 = (1 — α 1)I A I Co1 . Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α 2 равен I C2 = α 2 I K + I Co2 .

Приравняв I B1 и I C2 , получим (1 — α 1)I A I Co1 = α 2 I K + I Co2 . Так как I K = I A + I g , то

Рис. 5. Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояние равновесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости.

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α 1 + α 2 I A мал. (Коэффициенты α1 и α2 сами зависят от I A и обычно растут с увеличением тока) Если α1 + α2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: V AK = V 1 + V 2 + V 3 . По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 5, в), и падение напряжения V AK = (V 1 — |V 2 | + V 3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p + -i-n +)-диоду…

Классификация тиристоров

  • тиристор диодный (доп. название «динистор») — тиристор, имеющий два вывода
    • тиристор диодный, не проводящий в обратном направлении
    • тиристор диодный, проводящий в обратном направлении
    • тиристор диодный симметричный (доп. название «диак»)
  • тиристор триодный (доп. название «тринистор») — тиристор, имеющий три вывода
    • тиристор триодный, не проводящий в обратном направлении (доп. название «тиристор»)
    • тиристор триодный, проводящий в обратном направлении (доп. название «тиристор-диод»)
    • тиристор триодный симметричный (доп. название «триак», неоф. название «симистор»)
    • тиристор триодный асимметричный
    • запираемый тиристор (доп. название «тиристор триодный выключаемый»)

Отличие динистора от тринистора

Принципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если открытие динистора происходит при достижении между выводами анода и катода определённого напряжения, зависящего от типа данного динистора, то в тринисторе напряжение открытия может быть специально снижено, путём подачи импульса тока определённой длительности и величины на его управляющий электрод при положительной разности потенциалов между анодом и катодом, и конструктивно тринистор отличается только наличием управляющего электрода. Тринисторы являются наиболее распространёнными приборами из «тиристорного» семейства.

Отличие тиристора триодного от запираемого тиристора

Переключение в закрытое состояние обычных тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения I h , либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом.

Запираемые тиристоры, в отличие от обычных тиристоров, под воздействием тока управляющего электрода могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы закрыть запираемый тиристор, необходимо через управляющий электрод пропустить ток противоположной полярности, чем полярность, которая вызывала его открытие.

Симистор

Симистор (симметричный тиристор) представляет собой полупроводниковый прибор, по своей структуре является аналогом встречно-параллельного включения двух тиристоров. Способен пропускать электрический ток в обоих направлениях.

Характеристики тиристоров

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10 9 А/с, напряжения — 10 9 В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; КПД достигает 99 %.

Применение

  • Управляемые выпрямители
  • Преобразователи (инверторы)
  • Регуляторы мощности (диммеры)

См. также

  • CDI (Capacitor Discharge Ignition)

Примечания

Литература

  • ГОСТ 15133-77.
  • Кублановский. Я. С. Тиристорные устройства. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1987. — 112 с.: ил. — (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1104).

Ссылки

  • Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения
  • Управление тиристорами и симисторами через микроконтроллер или цифровую схему
  • Преобразовательные устройства в системах электроснабжения
  • Рогачёв К.Д. Современные силовые запираемые тиристоры .
  • Отечественные Аналоги Импортных Тиристоров
  • Справочники по тиристорам и аналогам,Замена тиристоров,замена диодов.Стабилитроны
Пассивные твердотельные Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Переменный конденсатор · Подстроечный конденсатор · Катушка индуктивности · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор
Активные твердотельные Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна
Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор ·

Тиристор это четырёхслойный полупроводниковый прибор, слои расположены последовательно их типы проводимости чередуются: p‑n‑p‑n. p‑n‑переходы между слоями на рисунке обозначены как «П1», «П2» и «П3». Контакт присоединенный к внешнему p‑слою называется анодом, к внешнему n‑слою — катодом. В принципе тиристор может иметь до двух управляющих электродов, присоединённых к внутренним слоям. Но обычно изготавливаются тиристоры с одним управляющим электродом, либо вообще без управляющих электродов (такой прибор называется динистором).

Для включения тиристора достаточно кратковременно подать сигнал на управляющий электрод — тиристор откроется и будет оставаться в этом состоянии пока ток через тиристор не станет меньше тока удержания.

Итак, главный принцип работы тиристора и схем на его основе — открываем тиристор подачей сигнала на усправляющий электрод, закрываем снижая ток анод-катод.

Как и в биполярном транзистор главную роль в принципе действия играют неосновные носители заряда (ННЗ) и обратно-смещенный p-n- переход. Пока неосновных носителей мало переход закрыт, но стоит подкинуть ННЗ к переходу и он откроется.
В тиристоре есть два основных способа добавить ННЗ:
1) закачать ток в управляющий электрод;
2) поднять напряжение настолько чтобы возник лавинный пробой.

Динисторное включение тиристора

Для начала рассмотрим второй случай, то есть когда управляющий электрод тиристора отключен.

При подаче напряжения прямой полярности, крайние переходы смещаются в прямом направлении, а средний – в обратном. При значительном увеличении напряжения на силовых электродах, через крайние (П1 и П3), примыкающие к среднему, переходы начинают перемещаться неосновные носители, уменьшая его сопротивление. Процесс происходит медленно, а сопротивление остается большим, но лишь до определенного момента. При некотором значении напряжения (как правило, несколько сотен вольт) процесс становится лавинным(точка 1 на ВАХ), неосновные носители заряда заменяются основными, отпирая средний переход (П2) и уменьшая сопротивление анод-катод. Тиристор отпирается, а падение напряжения между силовыми электродами падает до единиц Вольт (точка 2 на ВАХ).

Дальнейший рост тока ведет только к небольшому росту падения напряжения на тиристоре участок ВАХ от точки 2 до точки 3, это рабочий режим открытого тиристора.


Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий ток ниже тока удержания. Причем падение напряжения соответствующее этому току многократно ниже отпирающего напряжения.

Но зачем тиристору управляющий электрод? Какие преимущества есть у тиристора перед динистором? Дело в том, что подавая напряжение через резистор на управляющий электрод можно увеличивать концентрацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь будет снижать величину напряжения включения тиристора.

А при какой-то величине тока управляющего электрода больше не будет горба на ВАХ, т.е. ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода, кстати этот ток называют током спрямления.


Режим обратного запирания тиристора

При обратном включении тиристора крайние переходы (П1 и П3) смещаются в обратном направлении, а средний в прямом (П2). Тиристор остается закрытым пока не наступит тепловой пробой.

Физические процессы

Если пары по физическим основам электроники на которых рассматривался транзистор я ещё как-то выдерживал, то энергетические зонные диаграммы объясняющие принцип работы тиристора уже были слишком сложны. Очень много ньюансов в концетрациях носителей заряда, толщинах слоев и уровне легирования.
Конечно, чтобы изготовить тиристор с хорошими характеристиками физические процессы протекающие в кристалле полупроводника нужно знать и понимать. Но для разработки электронных схем достаточно знать вольт-амперную характеристику тиристора и его транзисторную модель.


Одну четрехслойную полупроводниковую структуру можно представить как две трехслойные, если посмотреть на рисунок, то в трехслойных структурах можно увидеть два биполярных транзистора n-p-n и p-n-p структуры.


Пока оба транзистора закрыты, ток через них не протекает. Но стоит открытся хоть одному из них, то он тут же откроет второй. Ток коллектора первого транзистора поступит в базу второго и откроет его, а ток коллектора второго, будет являтся базовым для первого и будет поддерживать открытым первый транзистор. Получаетя что оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии. И чтобы они закрылись, нужно снизить ток через ниж ниже определенной величины, так называемого тока удержания.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

  • — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
  • — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
  • — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.


Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

  • — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
  • — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
  • — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
  • — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях — закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Одна из крайних областей, на которую подключают положительный полюс питания называют анод , р – типа
Другая, к которой подсоединяют отрицательное полюс напряжения, называют катод , – n типа
Управляющий электрод подключен к внутренним слоям.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается , тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1 .

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня — напряжение включения U вкл , в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер . В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p -области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n -области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах , через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении R n растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как на прямой ветви — отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает .

Напряжение включения U вкл , можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод , запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – U упр . Как хорошо видно из графика – при росте U упр напряжение включения снижается.

Основные характеристики тиристоров

U вкл напряжение включения – при нем осуществляется переход тиристора в открытое состояние
U o6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение при нем происходит электрический пробой p-n перехода. Для многих тиристоров будет верно выражение U o6p.max . = U вкл
I max — максимально допустимое значение тока
I ср — среднее значение тока за период U np — прямое падение напряжения при открытом тиристоре
I o6p.max — обратный максимальный ток начинающий течь при приложении U o6p.max , за счет перемещения неосновных носителей заряда
I удерж ток удержания – значение анодного тока, при котором осуществляется запирание тиристора
P max — максимальная рассеиваемая мощность
t откл — время отключения необходимое для запирания тиристора

Запираемые тиристоры — имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

В отличие от своих четырехслойных родственников — тиристоров, они имеют пятислойную структуру.


Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.


Принцип работы симистора

Если у стандартного тиристора имеются анод и катод то электроды симистора так описать нельзя т.к каждый уго электрод является и анодом и катодом одновременно. Поэтому симистор способен пропускать ток в обоих направлениях. Именно поэтому он отлично работает в цепях переменного тока.

Очень простой схемой, поясняющей принцип симистора является регулятор симисторный регулятор мощности.


После подачи напряжения на один из выводов симистора поступает переменное напряжение. На электрод, являющийся управляющим с диодного моста поступает отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор отпирается и ток поступает в подключенную нагрузку. В момент времени, когда на входе симистора меняется полярность напряжения он запирается. Затем алгоритм повторяется.

Чем выше уровень управляющего напряжения тем быстрее срабатывает симистор и длительность импульса на нагрузке увеличивается. При снижении уровня управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке также снижается. На выходе симисторного регулятора напряжение будет пилообразной формы с регулируемой длительностью импульса. Таким образом, регулируя управляющее напряжение мы можем изменять яркость лампочки накаливания или температуру жала паяльника подключенных в качестве нагрузки.

Итак симистор управляется как отрицательным так и положительным напряжением. Давайте выделим его минусы и плюсы.

Плюсы: низкая стоимость, большой срок службы, отсутствие контактов и, как следствие, отсутствие искрения и дребезга.
Минусы: достаточно чувствителен к перегреву и его обычно монтируют на радиаторе. Не работает на высоких частотах, так как не успевает переходить из открытого состояния в закрытое. Реагирует на внешниепомехи, вызывающие ложное срабатывание.

Следует также упомянуть о особенностях монтажа симисторов в современной электронной техники.

При малых нагрузках или если в ней протекают короткие импульсные токи, монтаж симисторов можно осуществлять без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях – его наличие строго обязательно.
К теплоотводу тиристор может фиксироваться крепежным зажимом или винтом
Для снижения вероятности ложного срабатывания из-за шумов, длина проводов должна быть минимальна. Для подсоединения рекомендуется использовать экранированный кабель или витую пару.

Или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень и надежности конструкции.

Силовые ключи . Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность, которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется, т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Принцип работы и свойства динистора, схемы на динисторах

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

8 января 2013 в 19:23
  • Электроника для начинающих

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы



Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.


К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

Тиристор принцип работы. Что такое тиристор и как он работает

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

  • — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
  • — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
  • — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.


Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

  • — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
  • — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
  • — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
  • — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Появление четырехслойных p-n-p-n полупроводниковых элементов совершило настоящий прорыв в силовой электронике. Такие устройства получили название «тиристоров». Кремниевые управляемые вентили являются наиболее распространенным семейством тиристоров.

Данный вид полупроводниковых приборов имеет следующую структуру:

Как видим из структурной схемы тиристор имеет три вывода – катод, управляющий электрод и анод. Подключению к силовым цепям подлежат анод и катод, а управляющий электрод подключается к системе управления (слаботочные сети) для управляемого открытия тиристора.

На принципиальных схемах тиристор имеет такое обозначение:

Вольт-амперная характеристика показана ниже:

Давайте подробнее рассмотрим эту характеристику.

Обратная ветвь характеристики

В третьем квадранте характеристики диодов и тиристоров равны. Если к аноду приложить отрицательный потенциал относительно катода, то к J 1 и J 3 прикладывается обратное напряжение, а к J 2 — прямое, что вызовет протекание тока обратного (он очень мал, как правило несколько миллиампер). Когда же это напряжение увеличится до так называемого напряжения пробоя, произойдет лавинное нарастание тока между J 1 и J 3 . При этом, если данный ток не будет ограничен, то произойдет пробой перехода с последующим выходом из строя тиристора. При обратных же напряжениях, которые не превышают напряжения пробоя, тиристор будет вести себя как резистор с большим сопротивлением.

Зона низкой проводимости

В данной зоне все наоборот. Потенциал катода будет отрицательный по отношению к потенциалу анода. Поэтому к J 1 и J 3 будет приложено прямое, а к J 2 – обратное напряжение. Результатом чего станет весьма малый анодный ток.

Зона высокой проводимости

Если напряжение на участке анод – катод достигнет значения, так называемого напряжением переключения, то произойдет лавинный пробой перехода J 2 и тиристор будет переведен в состояние высокой проводимости. При этом U a снизится от нескольких сотен до 1 — 2 вольт. Оно будет зависеть от типа тиристора. В зоне высокой проводимости ток, протекающий через анод, будет зависеть от нагрузки внешней элемента, что дает возможность рассматривать его в этой зоне как замкнутый ключ.

Если пропустить ток через управляющий электрод, то напряжение включения тиристора уменьшится. Оно напрямую зависит от тока управляющего электрода и при достаточно большом его значении практически равно нулю. При выборе тиристора для работы в схеме, то его подбирают таким образом, чтоб напряжения обратное и прямое не превышали паспортных значений напряжений пробоя и переключения. Если эти условия выполнить трудно, или имеется большой разброс в параметрах элементов (например необходим тиристор на 6300 В, а его ближайшие значения 1200 В), то иногда применяют или включение элементов.

В нужный момент времени с помощью подачи импульса на управляющий электрод можно перевести тиристор с закрытого состояния в зону высокой проводимости. Ток УЭ, как правило, должен быть выше минимального тока открытия и он составляет порядка 20-200 мА.

Когда анодный ток достигнет определенного значения, при котором запирания тиристора невозможно (ток переключения), управляющий импульс может быть снят. Теперь тиристор сможет перейти обратно в закрытое состояние только при уменьшении тока ниже, чем ток удержания, или прикладыванием к нему напряжения обратной полярности.

Видео работы и графики переходных процессов

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы



Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.


К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

Перед тем как разбираться с темой «тиристор – принцип работы», необходимо понять, что собой представляет этот небольшой прибор. По сути, это силовой ключ, только он всегда находится в открытом состоянии. Поэтому его часто называют не полностью управляемый ключ.

Необходимо отметить, что по своему устройству тиристор напоминает обыкновенный транзистор или диод. Правда, есть и существенные отличия. К примеру, диод – это полупроводниковый двухслойный элемент на кремневой основе (PN), транзистор – трехслойный (PNP или NPN), тиристор – четырехслойный (PNPN). То есть, у него три перехода p-n. Именно поэтому диодные выпрямители перед тиристорными являются менее эффективными. Это хорошо видно на схеме управления тиристорами.

Где применяются тиристоры

Область применения тиристоров обширна. К примеру, из них можно собрать инвертор для сварки или зарядное автомобильное устройство. Некоторые умельцы своими руками собирают даже генераторы. Самое важное, что тиристоры могут через себя пропускать токи и высокочастотные, и низкочастотные. Поэтому, собрав мост из этих приборов, можно изготовить трансформатор и для сварочного аппарата.


Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

  • Анод.
  • Катод.
  • Вход.

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.


Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

  • Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
  • Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
  • Величина самой токовой нагрузки.
  • Напряжение в цепи.
  • Температура самого прибора.

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

  • Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
  • Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Управление тиристорами

В силовых электронных аппаратах чаще всего используется или фазное, или широтно-импульсное управление тиристором.

В первом случае регулировать токовую нагрузку можно за счет изменения углов или α, или θ. Это относится к принудительной нагрузке. Искусственную нагрузку можно регулировать только с помощью управляемого тиристора, который также называется запираемый.

При ШИМ (широтно-импульсной модуляции) во время Тоткр сигнал подается, а, значит, сам прибор находится в открытом состоянии, то есть, ток подается с напряжением Uн. В период времени Тзакр сигнал отсутствует, а сам прибор находится непроводящем состоянии.

Тиристорные светодиоды

Обычно тиристор и светодиод в одном светильнике не устанавливаются. Его место заменяет диод, который работает и на включение, и на отключение, как обычный ключ. Это связано с разными причинами, где основная – это конструкция и принцип действия самого прибора, который всегда находится в открытом состоянии. В настоящее время ученые изобрели так называемый тиристорный светодиод.


Во-первых, тиристорный светодиод в своем составе кроме кремния имеет: галлий, алюминий, индий, мышьяк и сурьму. Во-вторых, спектр излучения при n-переходах между материалами создает волну длиною 1,95 мкм. А это достаточно большая оптическая мощность, если ее сравнивать с диодным элементом, который производит световые волны в том же диапазоне.

Тиристор. Устройство, назначение.

Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор с тремя p–n -переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями электрического равновесия: закрытым и открытым.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают три основных свойства тиристора:

1 тиристор, как и диод, проводит ток в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;

2 тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния.

3 управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из «закрытого» состояния в «открытое», значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока;

Устройство и основные виды тиристоров

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n -структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n , содержащий три последовательно соединённых p-n -перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p -слою называется анодом, к внешнему n -слою — катодом. В общем случае p-n-p-n -прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором . Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как ихВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется такжесимистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов , часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

· Между точками 0 и (Vвo,IL) находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание (нижняя ветвь).

· В точке Vво происходит включение тиристора (точка переключения динистора во включённое состояние).

· Между точками (Vво, IL) и (Vн,Iн) находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением-неустойчивая область переключения во включённое состояние. При подаче разности потенциалов между анодом и катодом тиристора прямой полярности больше Vно происходит отпирание тиристора (динисторный эффект).

· Участок от точки с координатами (Vн,Iн) и выше соответствует открытому состоянию (прямой проводимости)

· На графике показаны ВАХ с разными токами управления (токами на управляющем электроде тиристора) IG (IG=0; IG>0; IG>>0), причём чем больше ток IG, тем при меньшем напряжении Vbo происходит переключение тиристора в проводящее состояние

· Пунктиром обозначен т. н. «ток включения спрямления» (IG>>0), при котором тиристор переходит в проводящее состояние при минимальном напряжении анод-катод. Для того, чтобы перевести тиристор обратно в непроводящее состояние необходимо снизить ток в цепи анод-катод ниже тока включения спрямления.

· Участок между 0 и Vbr описывает режим обратного запирания прибора.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0-3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Как работает тиристор?

Прежде чем углубляться в работу тиристора, давайте разберемся, зачем он нужен, когда у нас уже есть крошечный компонент под названием транзистор, который может помочь нам в переключении и усилении.

Хотя транзисторы могут переключаться, они не справляются с большими токами. Еще одна проблема с транзисторами заключается в том, что они отключаются, когда мы убираем ток переключения.

Когда мы хотим сработать и ток переключения снимается, нам нужно другое устройство, потому что здесь транзистор выходит из строя.Для решения обеих вышеперечисленных проблем требуется тиристор. Помимо обработки большого количества тока, он также может работать непрерывно, даже если ток переключения отключен.

Тиристор — это четырехслойное твердотельное полупроводниковое устройство, которое содержит 3 последовательно соединенных PN перехода с 3 выводами, называемыми анодом, катодом и затвором. Как и диод, тиристор также является однонаправленным устройством, но, в отличие от диода, он может использоваться как переключатель разомкнутой цепи.

Принцип работы тиристора

В тиристоре кремниевая пластина легирована четырьмя чередующимися типами P и N, которые выглядят как два транзистора, соединенных друг с другом (как показано на рисунке ниже).

Здесь P (катод) и N (анод) соединены последовательно, таким образом мы получаем три контактных контакта: анод, затвор и катод.

Когда мы смещаем вперед анод и катод, то есть анод и катод, подключенные к положительной и отрицательной клеммам батареи, первый PN переход и последний PN переход (j1 и j3) становятся смещенными вперед из-за разрыва обедненного слоя. Переход j2 остается смещенным в обратном направлении, поскольку на затвор не подается ток.

Когда мы подаем ток на затвор, тогда слой перехода j2 начинает разрываться, и ток начинает течь в цепи. Когда на вывод затвора подается достаточный положительный сигнальный ток или импульс, он переводит тиристор в проводящее состояние.

Тиристор может быть только полностью включен или выключен, что означает, что он не может находиться между состояниями включения и выключения, как у транзисторов. Это делает тиристор непригодным в качестве аналогового усилителя, но может использоваться в качестве переключающего устройства.

Его три режима работы:

Режим прямой блокировки

Перемычки j1 и j3 находятся в прямом рабочем состоянии, в то время как j2 находится в состоянии обратного смещения и не позволяет току течь.

Режим прямой проводимости

Здесь на вывод затвора подается положительное напряжение, вызывая пробой области обеднения j2. Из-за этого в цепи начинает течь ток, что приводит к переходу в режим включения.

Обратный режим блокировки

Здесь мы подаем отрицательное напряжение на анод и положительное напряжение на катод, в то время как затвор остается в разомкнутой цепи, в результате чего j1 и j3 имеют обратное смещение, а j2 — прямое смещение. Поскольку j1 и j2 имеют обратное смещение, протекание тока невозможно.

Использование и типы тиристоров

Обычно бывает 3 типа тиристоров:

1. Кремниевый выпрямитель —

SCR

Он может управлять сильным током и обычно используется в качестве высокочастотного переключателя в электрической цепи.

2. Тиристор выключения ворот — GTO

Они используются в инверторах, приводах переменного тока, индукционных нагревателях и т. Д.

3. Биполярный транзистор с изолированным затвором — IGBT

Они используются в импульсных источниках питания, управлении двигателями, индукционном нагреве и т. Д.

Мы используем тиристор в качестве схемы переключения, где мы должны управлять двигателями и включать / выключать лампы.

Примечание: Тиристорные устройства в основном используются там, где есть высокое напряжение и ток, и часто используются для управления переменным током (AC)

Видеоурок, объясняющий тиристор

Видео предоставлено:
Learn Engineering

Принцип работы и работа тиристоров

Тиристор, также известный как SCR (кремниевый выпрямитель), представляет собой диод особого типа, который позволяет току течь только тогда, когда на его вывод затвора подается управляющее напряжение.Хотя это, похоже, не более чем переключатель, управляемый напряжением, следует отметить следующее: При наличии прямого тока (т.е. после тиристор включается подходящим напряжением затвора) он не выключится даже после снятия напряжения затвора. Тиристор выключится только тогда, когда прямой ток упадет до нуля. В цепи постоянного тока это делает устройство практически бесполезным, за исключением некоторых конкретных приложений безопасности (защиты от лома).


Чаще всего тиристоры используются в цепях переменного тока.В цепи переменного тока прямой ток падает до нуля в течение каждого цикла, поэтому всегда будет функция отключения. Однако это означает, что гейт необходимо запускать каждый цикл, чтобы снова включить его. Именно в относительном времени выполнения этих двух функций тиристору отводится самая важная роль — регулирование мощности. Обратите внимание на показанную форму волны ниже это соответствует типичному источнику переменного напряжения. Если тиристор включается в начале разряда положительного напряжения, то время его прямой проводимости увеличивается до максимума.Это означает максимальную мощность, передаваемую нагрузке. Соответственно, если он включен ближе к концу положительного экскурсии достигается минимальное время проводимости и минимальная мощность.
Посредством подходящего временного управления напряжением затвора можно разработать грубый регулятор мощности, например, для управления уровнем нагрева простого резистивного нагревателя.

Как видно из схемы напротив, только половина цикла переменного тока доступна для управления, поскольку вся отрицательная половина находится в неправильном направлении для тиристора (действие диода).Это довольно расточительно, и гораздо лучший вариант — использовать два тиристора (спина к спине) для управления проводимостью в обоих направлениях. Устройство, специально разработанное для этого, называется TRIAC и показано ниже.

Что такое тиристор? — Определение, работа и применение

Определение: Тиристор — это полупроводниковый прибор , который состоит из четырех слоев, составленных из материала P-типа и материала N-типа, расположенных поочередно.Слово тиристор образовано из двух слов тир, атрон и транс истор. Кроме того, характеристики тиристора — это совокупность свойств тиратрона и транзистора.

Тиратрон имеет свойство выпрямления , а транзистор имеет свойство переключения . Включение тиристоров осуществляется управляющим сигналом, передаваемым транзистором. В отличие от диодов, тиристоры имеют три вывода Анод, Катод и Gate Вывод .

Обозначение схемы, по которой тиристоры идентифицируются в электронной схеме, показано на схеме ниже.

Конструкция тиристоров

Тиристоры можно понять с помощью двух транзисторов по аналогии. Коллектор одного транзистора соединен с базой второго транзистора, а коллектор второго транзистора соединен с базой первого транзистора.

Таким образом, всего четыре слоя полупроводникового материала соединяются друг с другом, и всего образуется три перехода.В тиристорах есть три вывода: анод, катод и затвор. Клемма затвора обеспечивает управляющее напряжение.

Работа тиристора

Коллекторный ток одного транзистора действует как базовый ток другого транзистора. Таким образом, ток коллектора одного транзистора запустит другой. Без тока коллектора в любом из транзисторов тиристор не может сработать.

Теперь предположим, что один транзистор PNP подключен к транзистору NPN, , тогда P-вывод транзистора PNP будет подключен к одному из выводов батареи.Это сделает переход смещенным в прямом направлении, и через транзистор начнет течь ток.

Из-за этого ток коллектора от транзистора PNP войдет в базовый вывод транзистора NPN, и, таким образом, транзистор NPN также начнет проводить. Таким образом проводит тиристор.

Вывод затвора при включении тиристор выполняет действие выпрямления, но когда он выключается ВЫКЛ выпрямление прекращается. Таким образом, тиристоры могут действовать как выпрямитель и переключатель, но не могут действовать как усилитель, поскольку не могут усиливать сигнал.

Типы тиристоров

Существуют различные полупроводниковые устройства, которые можно отнести к семейству тиристоров. Некоторые из наиболее часто используемых устройств — это SCR, DIAC, TRIAC, GATT и т. Д. Мы подробно обсудим каждое из устройств в наших следующих статьях.

Характеристики тиристоров

График характеристик тиристоров показан на диаграмме ниже. С помощью кривой характеристик можно детально понять его работу в режиме прямого смещения и в режиме обратного смещения.

Преимущества тиристоров

  1. Лучшая эффективность: Тиристоры обладают большей эффективностью, чем транзисторы, поэтому они используются в различных приложениях электроники.
  2. Низкая стоимость изготовления: Стоимость изготовления тиристоров невысока, поэтому их экономично использовать в различных электронных схемах для переключения.
  3. Возможность управления: Это надежные характеристики тиристора, так как благодаря клемме затвора тиристор может управляться.
  4. Высокая надежность: Тиристор является высоконадежным устройством и поэтому используется в качестве важной части в передаче постоянного тока высокого напряжения.
  5. Высокое напряжение и номинальный ток: Тиристор состоит из четырех слоев полупроводника, поэтому номинальные значения напряжения и тока выше, чем у транзистора.
  6. Большая допустимая мощность: Допустимая мощность тиристора намного больше, чем у другого полупроводникового прибора.
  7. Хорошая чувствительность запуска: Терминал управления затвором тиристора обеспечивает эффективный управляющий сигнал, поэтому он обладает хорошей чувствительностью запуска.

Применение тиристоров

  1. Выпрямление Назначение: Тиристоры служат для выпрямления сигнала переменного тока. Таким образом, когда управляемый сигнал подается на выпрямитель, он преобразует переменный ток в постоянный.
  2. Релейное управление: Тиристоры используются в релейном управлении.
  3. Phase Control: Регулятор фазы использовал тиристоры для обеспечения фазовой коррекции в цепи.
  4. Передача постоянного тока высокого напряжения: Они также используются в передаче постоянного тока высокого напряжения.
  5. Контроль температуры, уровня и положения: Благодаря надежному контролю его можно использовать для контроля температуры, уровня, положения и освещения.
  6. Двигатели постоянного и переменного тока: Тиристоры используются в двигателях переменного и постоянного тока в качестве регулятора скорости.
  7. Линии передачи: Для повышения коэффициента мощности в линиях передачи можно использовать тиристоры.
  8. Циклоконвертер: Тиристоры играют решающую роль в циклоконверторах для преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты.

Тиристоры — важнейшие силовые полупроводниковые приборы. Благодаря своей способности к выпрямлению и переключению он используется в различных электронных схемах. Более того, его четырехуровневая архитектура делает его более надежным и эффективным в использовании.

Принцип, характеристики и основные параметры тиристора

Введение

Тиристор , широко известный как кремниевый управляемый выпрямитель ( SCR ), его нормативный термин — трехконтактный тиристор с обратной блокировкой. Тиристоры — это мощные полупроводниковые устройства, которые имеют функции переключения и выпрямления и используются в различных схемах, таких как регулируемое выпрямление и преобразование частоты, инверторы и бесконтактные переключатели.Пока он имеет сигнал запуска слабой точки, он может управлять сильным электрическим выходом. Таким образом, это мост для полупроводниковых устройств, чтобы войти в поле сильного электричества из поля слабого электричества.

На сегодняшний день тиристоры являются наиболее широко используемыми полупроводниковыми приборами в электронной промышленности. Несмотря на постоянное появление различных новых полупроводниковых материалов, 98% полупроводниковых материалов по-прежнему являются кремниевыми материалами, которые по-прежнему составляют основу промышленности интегральных схем.Он широко используется из-за своего небольшого размера, легкого веса, высокой мощности и длительного срока службы.

Введение в тиристоры: SCR

Каталог


Ⅰ Основные сведения о тиристорах

1.1 Краткое описание I Введение T гиристор

Тиристор, также называемый кремниевым выпрямителем, является аббревиатурой от полупроводникового тиристора . Это сильноточное переключающее полупроводниковое устройство, в котором для управления используются малые токи.Обычно используются два типа: обычные тиристоры (также называемые однонаправленными тиристорами) и TRIAC (триод для переменного тока). Благодаря своему небольшому размеру, легкому весу, высокой эффективности, длительному сроку службы, вибростойкости, а также бесшумности и простоте использования он за короткий период времени привлек большое внимание отечественных, зарубежных, промышленных и сельскохозяйственных производственных подразделений. широко используется в различном производственном оборудовании и бытовой технике. По принципу работы его можно условно разделить на четыре категории: f — Выпрямление: преобразование мощности переменного тока в регулируемую мощность постоянного тока.

— Инвертор: преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока определенной частоты.

— Переключатель постоянного тока: используется для переключения контура постоянного тока или регулирования напряжения постоянного тока.

— Переключатель переменного тока: используется для переключения контура переменного тока или регулирования напряжения переменного тока.

По объектам обслуживания может использоваться в промышленности, сельском хозяйстве, национальной обороне, транспорте, горнодобывающей промышленности, металлургии, легкой, химической промышленности и других отраслях.

По своим характеристикам тиристоры не только обладают однонаправленной проводимостью, но и обладают большей управляемостью, чем кремниевые выпрямительные элементы (обычно известные как «мертвый кремний»).У него всего два состояния: включено и выключено.
Тиристоры могут управлять мощным электромеханическим оборудованием с током в миллиампер. Если частота превышает это значение, средний допустимый ток переключения будет уменьшаться из-за значительного увеличения коммутационных потерь компонентов. В это время номинальный ток должен быть снижен. Тиристоры
обладают множеством преимуществ, таких как: управление большой мощностью при малой мощности, кратное усиление мощности до нескольких сотен тысяч раз; чрезвычайно быстрый отклик, включение и выключение за микросекунды; бесконтактная работа, отсутствие искры, отсутствие шума; высокая эффективность, низкая стоимость и тд.
Недостатки тиристоров: низкая статическая и динамическая перегрузочная способность; легко ввести в заблуждение из-за помех.

Два типа тиристоров, однонаправленные тиристоры и трехконтактный TRIAC, кратко представлены ниже.

1,2 Рабочий P Принцип действия T гиристора

a. Однонаправленный тиристор

Внутренняя структура однонаправленного тиристора показана на рисунке 1 (а).Из рисунка 1 (а) видно, что однонаправленный тиристор состоит из четырех слоев полупроводников P 1 N 1 P 2 N 2 . Посередине расположены три PN-перехода: переход J 1 , ​​J 2 и J 3 . Анод A отводится от P 1 , ​​катод K отводится от N 2 , ​​а управляющий электрод (или затвор) G отводится от среднего P 2 . Условное обозначение однонаправленного тиристора показано на рисунке 1 (b).

Рисунок 1. Принципиальная схема и условное обозначение однонаправленного тиристора

Чтобы понять принцип работы однонаправленного тиристора, однонаправленный тиристор можно эквивалентно рассматривать как комбинацию PNP-транзистора T 1 и NPN-транзистора T 2 . Средний уровень P 2 и слой N 1 совместно используются двумя транзисторами. Анод A эквивалентен эмиттеру T 1 , ​​а катод K эквивалентен эмиттеру T 2 , ​​как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Принцип работы однонаправленного тиристора

Ключом к пониманию того, как работают однонаправленные тиристоры, является понимание роли управляющего электрода.

(1) На управляющий электрод не подается напряжение или обратное напряжение

Когда управляющий электрод остается плавающим или между управляющим электродом и катодом подается обратное напряжение, то есть U GK <0, должно быть I G = 0. Если между анодом и катодом приложено обратное напряжение, то есть U AK 0.Из-за J и J 2 , ​​ передающие переходы T 1 , ​​T 2 оба смещены в обратном направлении, а T 1 и T 2 находятся в выключенном состоянии, в это время, ток, протекающий через однонаправленный тиристор, является только током обратного насыщения J 1 и J 3 , ​​I A ≈0, а однонаправленный тиристор находится в состоянии блокировки; если между анодом и катодом приложено прямое напряжение, то есть U AK > 0, J 2 находится в состоянии обратного смещения, потому что I G = 0, T 2 должен быть в выключенное состояние.и ток в однонаправленном тиристоре только противоположен J 2 . В это время ток в однонаправленном тиристоре равен току обратного насыщения J 2 , ​​I A ≈0, а однонаправленный тиристор все еще находится в состоянии блокировки. Следовательно, когда на управляющий полюс не подается напряжение или применяется обратное напряжение, I G = 0, однонаправленный тиристор находится в состоянии блокировки и имеет возможность положительной и отрицательной блокировки.

(2) Подайте прямое напряжение на управляющий электрод

.

Когда между управляющим электродом и катодом приложено прямое напряжение, то есть U GK > 0, эмиттерный переход J 3 из T 2 находится в прямом смещении, и I G ≠ 0 . Если между анодом и катодом приложено обратное напряжение, то есть U AK <0, потому что эмиссионный переход J 1 T 1 имеет обратное смещение, а T 1 находится в выключенном состоянии, однонаправленный тиристор находится в состоянии блокировки, I A ≈0; Если между анодом и катодом приложено прямое напряжение, то есть U AK > 0, поскольку эмиссионные переходы J 1 , ​​J 3 T 1 , ​​T 2 смещены в прямом направлении, а коллекторный переход J 2 имеет обратное смещение, T 1 , ​​T 2 будет в усиленном состоянии.После того, как I G усилен T 2 , ​​ток коллектора T 2 равен I C2 = β 2 I G . Ток коллектора T 2 является базовым током T 1 , ​​после усиления T 1 ток коллектора T 1 равен I C1 = β 1 β 2 I Г . Этот ток течет в базу T 2 для усиления, и в этом цикле образуется сильная положительная обратная связь, которая заставляет T 1 , ​​T 2 быстро переходить в состояние насыщения, а однонаправленный тиристор находится в состоянии на гос.После включения однонаправленного тиристора, U AK , ​​ значение напряжения между анодом и катодом очень мало, и напряжение внешнего источника питания почти полностью падает на нагрузке.

(3) Отключение однонаправленного тиристора

Из приведенного выше анализа видно, что после включения однонаправленного тиристора на базе T 2 всегда протекает ток коллектора I C1 из T 1 , ​​а значение I C1 намного больше, чем I G , ​​применявшийся вначале.Таким образом, даже если напряжение управляющего электрода пропадает и I G = 0, он все равно может полагаться на положительную обратную связь самой трубки для поддержания проводимости. Следовательно, при включении однонаправленного тиристора управляющий электрод теряет функцию управления. После включения однонаправленного тиристора, если вы хотите, чтобы он снова выключился, необходимо уменьшить анодный ток I A , ​​чтобы он не мог поддерживать положительную обратную связь. Для этого анод может быть отключен или между анодом и катодом может быть приложено обратное напряжение.

Подводя итог, при условии, что прямое напряжение приложено между анодом и катодом однонаправленного тиристора, если прямое напряжение добавлено между управляющим электродом и катодом в определенное время, однонаправленный тиристор изменится с состояние блокировки в состояние проводимости. Это запускается в проводимость. После включения однонаправленного тиристора управляющий электрод теряет функцию управления. Если вы хотите снова выключить однонаправленный тиристор, вы должны сделать его анодный ток меньше определенного значения I H (называемого током удержания) или уменьшить напряжение U AK между анодом и катодом до нуля.

б. TRIAC

TRIAC — это трехконтактный элемент с пятиуровневой структурой N 1 P 1 N 2 P 2 N 3 . Он имеет три электрода: главный электрод A 1 , ​​главный электрод A 2 и управляющий электрод (или затвор) G. Он также является переключателем управления затвором. Независимо от его конструкции или характеристик, его можно рассматривать как пару антипараллельных обычных тиристоров. Его конструкция, схема замещения и условные обозначения показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Символ, структура и эквивалентная схема TRIAC

Основные электроды A 2 и A 1 симистора включены последовательно с объектом управления (нагрузкой) RL, что эквивалентно бесконтактному переключателю. «Вкл» или «Выкл» этого переключателя контролируется сигналом u G (называемым сигналом запуска) на управляющем электроде G. Когда есть напряжение (u 0) между основными электродами A 2 и A 1 , ​​в момент появления триггерного сигнала u G он будет проводящим между A 2 и A 1 TRIAC, что эквивалентно закрытому состоянию переключателя.И как только он включен, даже если u G исчезает, его можно держать включенным до тех пор, пока u = 0 или ток в последовательной цепи главного электрода и нагрузки не уменьшится до определенного значения, затем он отключается . После отключения это эквивалентно выключенному состоянию переключателя. Таким образом, сигнал малого тока на управляющем электроде может использоваться для управления большим током в цепи главного электрода.

Рисунок 4. Вольт-амперная характеристика TRIAC

Вообще говоря, независимо от полярности напряжения между двумя основными электродами A 2 и A 1 TRIAC, до тех пор, пока на управляющий электрод подается определенная амплитуда положительных и отрицательных импульсов, он может быть включен.Таким образом, i представляет ток в основном электроде, а u представляет напряжение между A 2 и A 1 . Функциональная взаимосвязь между ними (называемая кривой вольт-амперной характеристики) показана на рисунке 4. Из кривой видно, что симметричный резистор TRIAC имеет в основном одинаковые симметричные характеристики в первом и третьем квадранте.

В зависимости от напряжения u на главном электроде и полярности напряжения запускающего импульса u G на управляющем электроде в сочетании с вольт-амперной характеристической кривой, TRIAC можно разделить на четыре режима запуска, которые определены как следует:

(1) Триггер I +: в первом квадранте характеристической кривой (A 2 положительный) управляющий электрод является положительным триггером относительно A 1 .

(2) I-триггер: в первом квадранте характеристической кривой (A 2 положительный) управляющий электрод является отрицательным триггером относительно A 1 .

(3) Ⅲ + триггер: в третьем квадранте характеристической кривой (A 2 отрицательный) управляющий электрод является положительным триггером относительно A 1 .

(4) Ⅲ-триггер: в третьем квадранте характеристической кривой (A 2 отрицательный) управляющий электрод является отрицательным триггером относительно A 1 .

Среди этих четырех режимов триггера I + и III- имеют более высокую чувствительность и являются двумя обычно используемыми режимами триггера.

В схеме управления нового типа электронагревательного электроприбора сигнал запуска, подаваемый на управляющий электрод TRIAC, выдается однокристальным микрокомпьютером или интегральной схемой. Некоторые выводят непрерывный положительный (или отрицательный) сигнал напряжения, а некоторые выводят серию триггерных импульсов перехода через ноль, синхронизированных с источником питания переменного тока с синусоидальной частотой 50 Гц.Первый называется потенциальным триггером, а второй — импульсным триггером. Их формы сигналов показаны на рисунках 5 и 6 соответственно.

Рисунок 5.

Рисунок 6.

Ⅱ T he M ain C Характеристики гиристоров T

2.1 Базовая структура тиристора

Тиристор (также известный как полупроводник) управляемый выпрямитель) представляет собой мощный полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой (ПНПН).Он имеет три выводных электрода, а именно анод (A), катод (K) и затвор (G). Его условное изображение и поперечный разрез устройства показаны на рисунке 7.

Рис. 7. Изображение символов и поперечное сечение устройства

Обычные тиристоры двунаправленно рассеивают примеси P-типа (алюминий или бор) в кремниевой пластине N-типа с образованием структуры P 1 N 1 P 2 , ​​а затем диффундируют примеси N-типа (фосфор или сурьма) чтобы сформировать катод в большинстве областей P 2 , ​​и в то же время вывести электрод затвора на P 2 и сформировать омический контакт, сформированный в P 1 в качестве анода.

2,2 Вольт-ампер C Характеристики гиристоров T

Включенное и выключенное состояния тиристора определяются анодным напряжением, анодным током и током затвора. Кривые вольт-амперной характеристики обычно используются для описания взаимосвязи между ними, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8. Вольт-амперная характеристика тиристора

.

Когда тиристор V AK подает прямое напряжение, J 1 и J 3 смещены в прямом направлении, а J 2 смещены в обратном направлении.Приложенное напряжение почти падает на J 2 , ​​а J 2 играет роль блокировки тока. С увеличением V AK , ​​пока V AK BO , ​​проходящий анодный ток I A невелик, поэтому эта область называется состоянием прямой блокировки. Когда V AK превышает значение V BO , ​​анодный ток внезапно увеличивается, и он будет в состоянии низкого напряжения и высокого тока в момент, когда характеристическая кривая проходит через отрицательное сопротивление.Ток в открытом состоянии I T , ​​определяемый нагрузкой, протекает через тиристор, падение напряжения на устройстве составляет около 1 В, а состояние, соответствующее участку CD характеристической кривой, называется включенным состоянием. V BO и соответствующий ему I BO обычно называются напряжением прямого отключения и током отключения. После включения тиристор может сам поддерживать включенное состояние. Переход из включенного состояния в выключенное состояние обычно контролируется внешней схемой без использования стробирующего сигнала, то есть устройство может быть выключено только тогда, когда ток ниже определенного порогового значения, называемого током удержания I Н .

Когда тиристор находится в выключенном состоянии (V AK BO ), если электрод затвора сделан положительным по отношению к катоду, а на электрод затвора подается ток I G , ​​тиристор будет переключение при более низком напряжении. Напряжение отключения V BO и ток отключения I BO являются функциями I G . Чем больше I G , ​​тем меньше V BO . Как показано на рисунке 3, после включения тиристора устройство включается, даже если сигнал затвора удален.

Когда анод тиристора отрицателен по отношению к катоду, пока V AK BO , ​​I A мал и не имеет ничего общего с I G . Однако, когда обратное напряжение велико (V AK ≈V BO ), обратный ток утечки через тиристор резко возрастает, показывая пробой тиристора. Поэтому V BO называется обратным напряжением отключения и током отключения.

2.3 Статические C Характеристики гиристоров T

Тиристор имеет 3 PN перехода, а характеристическую кривую можно разделить на (0 ~ 1) зону блокировки, (1 ~ 2) зону отключения, ( 2 ~ 3) область отрицательного сопротивления и (3 ~ 4) проводящая область.

а. Вперед W в рабочем состоянии A rea

— зона прямой блокировки (0 ~ 1)

Когда между AK подается прямое напряжение, J 1 и J 3 несут прямое напряжение, а J 2 несет обратное напряжение, и приложенное напряжение почти полностью падает на J 2 .J 2 с обратным смещением блокирует ток, а тиристор в это время не проводит ток.

— Зона схода лавины (1 ~ 2 также называется зоной отрыва)

Когда приложенное напряжение возрастает близко к напряжению лавинного пробоя V BJ2 из J 2 , ​​ширина области пространственного заряда смещенного в обратном направлении J 2 увеличивается, и внутреннее электрическое поле значительно увеличивается, что усиливает эффект умножения.В результате ток через J 2 внезапно увеличивается, и ток, протекающий через устройство, также увеличивается. В это время ток, проходящий через J 2 , ​​преобразуется из исходного обратного тока в ток, который в основном ослабляется J 1 и J 3 через базовую область и умножается в области пространственного заряда J . 2 . Это зона лавины, где напряжение увеличивается, а ток резко увеличивается. Следовательно, характеристическая кривая поворачивается в этой области, поэтому она называется областью отрыва.

— Площадь загрузки (2 ~ 3)

Когда приложенное напряжение больше, чем напряжение отключения, большое количество электронно-дырочных пар, образованных лавинообразным удвоением области пространственного заряда J 2 , ​​извлекается обратным электрическим полем. Электроны попадают в область N 1 , ​​а дырки входят в область P 2 . Из-за невозможности быстрой рекомбинации происходит накопление носителей заряда по обе стороны от J 2 : дырки в области P 2 и электроны в области N 1 , ​​компенсируя заряд ионизированных примесей и сужая область пространственного заряда. .В результате потенциал в области P 2 увеличивается, а потенциал в области N 1 уменьшается, что действует для компенсации внешнего электрического поля. По мере уменьшения приложенного напряжения на J 2 эффект лавинного умножения также ослабевает. С другой стороны, прямое напряжение J 1 и J 3 было увеличено, а инжекция увеличилась, в результате чего ток через J 2 увеличился, поэтому возникло явление отрицательного сопротивления, в котором ток увеличивается, а напряжение уменьшается.

— Низкое сопротивление в открытом состоянии (3 ~ 4)

Как упоминалось выше, эффект умножения вызывает накопление электронов и дырок с обеих сторон J 2 , ​​вызывая уменьшение напряжения обратного смещения J 2 ; в то же время инжекция J 1 и J 3 усиливается, и цепь увеличивается, так что заряды продолжают накапливаться с обеих сторон J 2 , ​​а напряжение перехода продолжает уменьшаться.Когда напряжение падает до точки, где лавинообразное умножение прекращается и все напряжения перехода отменяются, дырки и электроны по-прежнему накапливаются по обе стороны от J 2 , ​​и J 2 становится смещенным в прямом направлении. В это время J 1 , ​​J 2 и J 3 все смещены в прямом направлении, и через устройство могут проходить большие токи, поскольку оно находится в открытом состоянии с низким сопротивлением. В полностью проводящем состоянии его вольт-амперная характеристика аналогична характеристике выпрямительного элемента.

б. Назад Вт в рабочем состоянии A REA (0 ~ 5)

Когда устройство работает в обратном направлении, J 1 и J 3 имеют обратное смещение. Из-за очень низкого напряжения пробоя сильно легированного J 3 , ​​J 1 выдерживает почти все приложенное напряжение. Вольт-амперная характеристика устройства представляет собой вольт-амперную характеристику диода обратного смещения. Следовательно, тиристор PNPN имеет область обратной блокировки, и когда напряжение увеличивается выше напряжения пробоя J 1 , ​​ток резко увеличивается из-за эффекта лавинного умножения, при котором тиристор выходит из строя.

2,4 Характеристика E Предложение T гиристор

Двухполюсное устройство четырехслойной структуры PNPN можно рассматривать как P 1 N 1 P 2 и N 1 P 2 N 2 транзисторы с коэффициентами усиления тока α 1 и α 2 соответственно, где J 2 — общий коллекторный переход. Когда на устройство подается прямое напряжение, J 1 с прямым смещением вводит отверстия и проходит через область N 1 , ​​чтобы достичь коллекторного перехода (J 2 ).Дырочный ток α 1 I A ; в то время как J 3 с прямым смещением инжектирует электроны и проходит через область P 2 . Ток, передаваемый к J 2 , ​​равен α 2 I K . Поскольку J 2 находится в обратном направлении, ток через J 2 также включает в себя собственный обратный ток насыщения, I CO .

Ток через J 2 является суммой трех вышеуказанных, то есть

(1)

Предполагая эффективность выбросов γ 1 = γ 2 = 1, в соответствии с принципом непрерывности тока I J2 = I A = I K , ​​поэтому формула (1) принимает следующий вид:

(2)

Формула показывает, что когда прямое напряжение меньше, чем напряжение лавинного пробоя V B из J 2 , ​​эффект умножения невелик, и ток инжекции также мал.Таким образом, α 1 и α 2 также очень малы, поэтому

(3)

Модель I CO в то время также была небольшой. Следовательно, J 1 и J 3 имеют прямое смещение, поэтому увеличение V AK может только увеличить обратное смещение J 2 . Он не может сильно увеличить I CO и I A , ​​поэтому устройство всегда находится в состоянии блокировки, и ток, протекающий через устройство, имеет тот же порядок величины, что и I CO .Поэтому формула (3) называется условием блокировки.

Когда увеличение V AK вызывает увеличение обратного смещения J 2 и происходит лавинное умножение, предполагая, что коэффициент умножения M n = M p = M, тогда I CO , ​​α 1 , а α 2 увеличится в M раз, поэтому (2) становится

(4)

В это время знаменатель становится меньше, и I A будет быстро увеличиваться с ростом V AK , ​​поэтому, когда

(5)

Достигнут установившийся предел лавины (V AK = V BO ), и ток будет стремиться к бесконечности, поэтому уравнение (5) называется условием прямого переключения.

«

Используя эту функцию, условия точки переключения выводятся из уравнения характеристической кривой (4). Поскольку α 1 и α 2 являются функциями тока, M является функцией V J2 , ​​что может быть аппроксимировано выражением M (V J2 ) = M (V AK ), I CO является константой и выводится по (4). Результат

(6)

Поскольку напряжение пробоя ниже напряжения пробоя, оно должно быть постоянным.Поскольку числитель также должен быть равен нулю и получить

.

(7)

Согласно определению коэффициента усиления постоянного напряжения транзистора,

(8)

Мы можем получить коэффициент усиления тока слабого сигнала

(9)

Используя формулу (9), формулу (7) можно изменить на

(10)

То есть в точке перехода произведение коэффициента умножения и суммы слабого сигнала равно 1.Пока структура PNPN удовлетворяет приведенной выше формуле, она имеет характеристики переключения, то есть ее можно переключать из выключенного состояния во включенное состояние.

Поскольку α изменяется с током I E , ​​когда I A увеличивается, возрастают как α 1 , ​​так и α 2 . Видно, что при большом токе вместо этого можно уменьшить значение M, удовлетворяющее (6). Это показывает, что I A увеличивается, а V AK соответственно уменьшается.

α — это имя функции тока и функция напряжения коллекторного перехода.Когда ток увеличивается при постоянном α, соответствующее обратное смещение коллекторного перехода уменьшается. При большом токе

(11)

Согласно уравнению (2), J 2 обеспечивает ток в открытом состоянии (I CO <0). Следовательно, J 2 должен быть смещен в прямом направлении, поэтому J 1 , ​​J 2 и J 3 все смещены в прямом направлении, и устройство является проводящим.

Выключенное состояние устройства меняется на включенное.Суть в том, что соединение J 2 должно быть изменено с обратного смещения на прямое. Условием для поворота J 2 в прямом направлении является то, что дырки и электроны должны накапливаться в областях P 2 и N 1 соответственно. Условием накопления отверстий в области P 2 является то, что количество отверстий α 1 I A , ​​введенных J 1 и собранных J 2 в области P 2 , ​​больше чем количество дырок, которые исчезают при рекомбинации с (1-α 2 ) I K , ​​то есть

(12)

Так как I A = I K , ​​получается α 1 + α 2 > 1.Пока условия верны, накопление дырок в области P 2 такое же, а условие накопления электронов в области —

.

(13)

Таким образом,

(14)

Можно видеть, что когда выполняется условие α 1 + α 2 > 1, потенциал области P 2 положительный, а потенциал области N 1 отрицательный. J 2 становится смещенным в прямом направлении, и устройство находится в проводящем состоянии, поэтому α 1 + α 2 > 1 называется состоянием проводимости.

Рисунок 9. SCR (выпрямитель с кремниевым управлением), символ

Ⅲ Основные параметры тиристора

3.1 Основные P Параметры U однонаправленный T гиристоры

Для правильного использования однонаправленного тиристора необходимо не только понять принцип его работы, но и освоить его основные параметры.

(1) Прямое повторяющееся пиковое напряжение U FRM

При условии, что управляющий электрод отключен и однонаправленный тиристор находится в состоянии прямой блокировки, когда температура перехода однонаправленного тиристора является номинальным значением, это допускается 50 раз в секунду, а продолжительность не должна превышать 10 мс. .Прямое пиковое напряжение, которое может многократно подаваться на однонаправленный тиристор, называется прямым повторяющимся пиковым напряжением, которое выражается U FRM . Обычно вторичное напряжение составляет 80% от напряжения прямого переключения.

(2) Повторяющееся обратное пиковое напряжение U RRM

При тех же условиях, что и прямое повторяющееся пиковое напряжение, обратное пиковое напряжение, которое может многократно подаваться на однонаправленный тиристор, называется обратным повторяющимся пиковым напряжением, которое выражается U RRM и обычно составляет 80% от обратного переключения. Напряжение.

(3) Номинальное напряжение U N

Обычно меньшее из U FRM и U RRM используется в качестве номинального напряжения однонаправленного тиристора. Это связано с тем, что на практике добавляемое к лампе напряжение обычно является положительным и отрицательным симметричным напряжением, поэтому напряжение с меньшим значением должно преобладать. Но поскольку переходное перенапряжение также приведет к повреждению трубки, при выборе трубки по соображениям безопасности номинальное напряжение трубки должно быть более чем в 2–3 раза больше фактического пикового напряжения.

(4) Номинальный прямой средний ток I F

Среднее значение синусоидального полуволны промышленной частоты, которое может пройти через однонаправленный тиристор при температуре окружающей среды 40 ° C и заданных условиях рассеивания тепла, называется номинальным прямым средним током I F . Обычно мы говорим, сколько ампер однонаправленных тиристоров относится к этому значению тока. Количество I F зависит от таких факторов, как температура окружающей среды, условия рассеивания тепла и угол проводимости компонента.Номинальный ток однонаправленного тиристора калибруется по среднему синусоидальному полуволновому току промышленной частоты при определенных условиях. Это связано с тем, что нагрузка, подключенная к выходу выпрямителя, часто требует среднего тока для измерения ее характеристик. Однако с точки зрения однонаправленного нагрева тиристора, независимо от формы волны тока, протекающего через однонаправленный тиристор, и угла проводимости однонаправленного тиристора, если эффективное значение расчетного тока равно действующему значению номинального тока. I F , то нагрев однонаправленного тиристора равнозначен и разрешен.

(5) Ток удержания I H

При комнатной температуре, в условиях короткого замыкания управляющего электрода, минимальный анодный ток, необходимый для поддержания однонаправленного тиристора для продолжения проводимости, называется током удержания I H . Если анодный ток однонаправленного тиристора меньше этого значения, однонаправленный тиристор перейдет из проводящего состояния в состояние блокировки.

(6) Напряжение срабатывания управляющего электрода U GK и ток срабатывания I G

При комнатной температуре, при условии, что напряжение между анодом и катодом однонаправленного тиристора составляет 6 В, минимальное значение постоянного тока управляющего электрода, необходимое для перевода однонаправленного тиристора из состояния блокировки в состояние проводимости, называется триггером. ток I G .Напряжение постоянного тока U GK между управляющим электродом и катодом, соответствующее току запуска I G , называется напряжением запуска. Обычно U GK составляет от 1 до 5 В, а I G — от десятков до сотен мА.

3.2 Основные параметры P для TRIAC

В различных схемах управления TRIAC является относительно легко повреждаемым компонентом. Как только будет обнаружено, что TRIAC поврежден, вам просто нужно заменить TRIAC с такими же параметрами.Существует множество характерных параметров TRIAC, и следующие основные параметры, которые следует учитывать при техническом обслуживании.

— Повторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии, номинальное напряжение, В DRM

Когда управляющий электрод отключен и компонент находится при номинальной температуре перехода, напряжение, соответствующее точке резкого изгиба прямой и обратной вольт-амперных характеристик, называется неповторяющимся пиковым напряжением в закрытом состоянии. 80% его называется повторяющимся пиковым напряжением в закрытом состоянии.Его также называют номинальным напряжением, которое выражается V DRM .

Когда TRIAC работает, пиковое значение приложенного напряжения на мгновение превышает обратное неповторяющееся пиковое напряжение, что может вызвать необратимое повреждение TRIAC. Более того, из-за повышения температуры окружающей среды или плохого рассеивания тепла обратное неповторяющееся пиковое значение напряжения может уменьшаться. Следовательно, когда выбирается симистор, его номинальное значение напряжения должно в 2-3 раза превышать возможное максимальное напряжение при реальной работе.Если напряжение источника питания составляет 220 В, следует выбрать симистор с номинальным напряжением выше 500 В, чтобы выбранные компоненты могли выдерживать импульсное напряжение.

— Номинальный средний ток в рабочем состоянии — номинальный ток I T (AV)

В указанных условиях максимальный средний ток в открытом состоянии, допустимый при включенном TRIAC, называется номинальным средним током в открытом состоянии. Согласно стандартной серии TRIAC, этот ток приводится к соответствующему уровню тока, который часто для краткости называют номинальным током и обозначается I T (AV) .

Поскольку токовая перегрузочная способность TRIAC намного меньше, чем у обычных двигателей и электроприборов, номинальный ток TRIAC должен быть в 1,5–2 раза больше максимального тока при фактической работе при выборе.

— Ток срабатывания затвора I GT (напряжение U GT )

Это относится к минимальному значению тока (напряжения) триггерного сигнала, которое может обеспечить надежную проводимость симистора и добавить к управляющему электроду. Если ток (напряжение) триггера, полученный управляющим электродом TRIAC, меньше указанного количества раз, TRIAC не может быть включен.

— Среднее напряжение в рабочем состоянии U T (AV)

Когда TRIAC включен, он эквивалентен замкнутому переключателю. Поскольку TRIAC подключен последовательно с нагрузкой, чем меньше напряжение между двумя основными электродами, тем лучше. После включения TRIAC среднее значение напряжения между двумя основными электродами называется средним напряжением в рабочем состоянии, которое обычно называют падением напряжения на лампе. Если падение давления в трубке TRIAC слишком велико, двигатели и электромагнитные клапаны, которыми он управляет, могут не работать должным образом, потому что они не могут получить полное напряжение.

— Ток удержания

Когда управляющий электрод отключен при комнатной температуре, TRIAC уменьшается с большого тока в открытом состоянии до минимального тока основного электрода, который необходим только для поддержания проводимости, который называется током удержания. TRIAC выключается только тогда, когда ток основного электрода уменьшается ниже тока удержания.

Ⅳ Основная функция тиристора

Тиристоры выполняют следующие функции: во-первых, выпрямление преобразователя; во-вторых, регулирование напряжения; в-третьих, преобразование частоты; в-четвертых, выключатель (бесконтактный выключатель).Основное применение обычных тиристоров — это управляемое выпрямление. Схема диодного выпрямителя, с которой мы знакомы, представляет собой неуправляемую схему выпрямителя. Если диод заменить тиристором, он может составлять управляемую схему выпрямителя, инвертор, бесконтактный переключатель, обеспечивать управление скоростью двигателя, возбуждение двигателя, автоматическое управление и так далее. В электротехнике полупериод переменного тока часто определяется как 180 °, что называется электрическим углом. Таким образом, в каждом положительном полупериоде U2 электрический угол, испытываемый от начала нулевого значения до момента, когда приходит импульс запуска, называется углом управления α; электрический угол, под которым тиристор проводит в каждом положительном полупериоде, называется углом проводимости θ.Очевидно, что и α, и θ используются для обозначения диапазона включения или выключения тиристора в течение полупериода прямого напряжения. Управляемое выпрямление достигается путем изменения угла управления α или угла проводимости θ и изменения среднего значения UL импульсного напряжения постоянного тока на нагрузке. Функция тиристора — это не только выпрямление, его также можно использовать в качестве бесконтактного переключателя для быстрого включения или выключения цепи, для создания инвертора, который преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока, для изменения мощности переменного тока одной частоты на Электропитание переменного тока другой частоты и т. Д.Эта статья в основном знакомит с основным принципом, характеристиками и основными параметрами тиристоров.

Часто задаваемые вопросы о тиристорах (SCR)

1. Каковы характеристики SCR?
Характеристики тиристора или характеристики SCR
Режим обратной блокировки тиристора. Первоначально для режима обратной блокировки тиристора катод становится положительным по отношению к аноду путем подачи напряжения E, а напряжение питания Es затвор-катод сначала отсоединяется, удерживая переключатель S в разомкнутом состоянии.
Режим прямой блокировки
Режим прямой проводимости

2. Почему SCR называется тиристорным?
Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) — это однонаправленное полупроводниковое устройство, изготовленное из кремния. Это устройство является твердотельным эквивалентом тиратрона и, следовательно, его также называют тиристорным или тироидным транзистором.

3. Являются ли тиристор и тиристор одинаковыми?
Тиристор — это 4-х слойное устройство, образованное чередующейся комбинацией полупроводниковых материалов p- и n-типа.Это устройство, используемое для выпрямления и переключения. SCR — наиболее часто используемый член семейства тиристоров, и это название обычно используется, когда мы говорим о тиристорах.

4. Для чего нужен тиристор? Тиристоры
в основном используются там, где используются высокие токи и напряжения, и часто используются для управления переменными токами, когда изменение полярности тока вызывает автоматическое отключение устройства, что называется операцией «перехода через ноль».

5.Как работает тиристор SCR?
Так как это работает? Когда ток не течет в затвор, тиристор выключен, и ток не течет между анодом и катодом. Когда ток течет в затвор, он фактически течет на базу (вход) нижнего (n-p-n) транзистора, включая его.

Альтернативные модели

Часть Сравнить Производителей Категория Описание
Производитель.Номер детали: ICL3221EIAZ Сравнить: Текущая часть Производитель: Intersil Категория: Интерфейсные ИС Описание: БЕСПРОВОДНЫЙ RS232 3V 1D / 1R 15kV AUTODOWN 16SSOP IND HT SUSA КОД: 85423

Mfr.Номер детали: ICL3221EIAZ Сравнить: ICL3221EIAZ VS ICL3221EIAZ Производитель: Intersil Категория: Интерфейсные ИС Описание: БЕСПРОВОДНЫЙ RS232 3V 1D / 1R 15kV AUTODOWN 16SSOP IND HT SUSA КОД: 85423

Mfr.Номер детали: ICL3221ECAZ-T Сравнить: ICL3221EIAZ VS ICL3221ECAZ-T Производитель: Intersil Категория: Интерфейсные ИС Описание: INTERSIL ICL3221ECAZ-T EIA / TIA 232 и V.28 / V.24 Driver IC, 1 драйвер, 250 Кбит / с, защита от электростатического разряда, от 3 В до 5,5 В, SSOP-16
Номер детали: ICL3221ECAZ Сравнить: ICL3221EIAZ VS ICL3221ECAZ Производитель: Intersil Категория: Интерфейсные ИС Описание: Intersil ICL3221ECAZ, линейный трансивер, RS-232, 3.3 В, 5 В, 16 контактов SSOP
Однофазный тиристорный выпрямитель

| Plexim

Принцип работы

Однофазный тиристорный выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное на выходе.Поток мощности является двунаправленным между стороной переменного и постоянного тока. Работа схемы зависит от состояния источника переменного тока и угла зажигания α двухимпульсного генератора. Индуктивность источника L s для простоты не учитывается.

  • α = 0 °: Когда угол включения тиристоров равен нулю, данная схема сводится к диодному выпрямителю с индуктивной нагрузкой.
  • 0 ° <α <90 °: Угол зажигания больше нуля означает, что тиристор также будет нести положительное запирающее напряжение.Это приводит к отрицательным напряжениям постоянного тока, а также к меньшему среднему напряжению нагрузки V нагрузка = 0,9 · В с, среднеквадратичное значение · cos (α).
  • 90 ° <α <180 °: Схема находится в инверторном режиме, и мощность течет от постоянного тока к переменному току.

Влияние индуктора источника L

с и напряжения нагрузки В нагрузка
  • Как и в случае однофазного диодного выпрямителя, индуктивность источника L с больше нуля приводит к интервалу коммутации тока между парами тиристоров T 1 / T 2 и T 3 / T 4 .Этот интервал увеличивает угол включения тиристора α и приводит к дальнейшему снижению среднего напряжения нагрузки.
  • При увеличении напряжения нагрузки ток через катушку индуктивности уменьшается. Как и в случае преобразователей постоянного тока в постоянный, в установившемся режиме считается, что схема работает в режиме прерывистой проводимости, если ток через L d достигает нуля, и в режиме постоянной проводимости, если ток никогда не достигает нуля.

Эксперименты

  • Установите индуктивность сетки и угол включения тиристора α равными нулю и запустите стационарный анализ.Убедитесь, что результаты в точности соответствуют результатам, полученным для диодного выпрямителя с индуктивной нагрузкой и индуктивностью источника L с = 0 Гн.
  • Установите L d = 100 мкГн, α = 45 ° и V нагрузка = 150 В. Посмотрите, как ток нагрузки достигает нуля во время установившейся работы — преобразователь теперь работает в режиме прерывистой проводимости.
  • Убедитесь, что при увеличении углов зажигания α> 45 ° и индуктивности источника L s > 100 мкГн выходное напряжение уменьшается.

Принцип работы и применение тиристорного диммера

Существует много типов диммеров. По типу источника питания их можно разделить на затемнение по переменному току и диммирование по постоянному току. По принципу действия схемы управления их можно разделить на амплитудное и фазовое. По типам коммутационных устройств их можно разделить на пассивные диммеры. Свет и активное затемнение можно разделить на сегментное затемнение и бесступенчатое затемнение в зависимости от уровня изменения освещенности.По типу нагрузки его можно разделить на прямое затемнение источников электрического света и косвенное затемнение контроллеров освещения. Исчерпывающее введение в классификацию диммеров.

1.1 Регулировка яркости AM

1.1.1 Регулировка яркости с помощью переменного резистора

Регулировка яркости с помощью переменного резистора — это самый ранний метод регулирования яркости. Посредством последовательного подключения мощного переменного резистора в цепи освещения лампы накаливания регулировка переменного резистора может изменить значение тока, протекающего через лампу накаливания, тем самым изменяя яркость света.Этот метод регулирования яркости может использоваться как в цепях питания переменного, так и постоянного тока и не вызывает радиопомех. Однако из-за высокого энергопотребления и большого тепловыделения переменного резистора эффективность системы очень низка, и она обычно используется только в качестве демонстрации принципа.

1.1.2 Регулировка яркости автоматического регулятора напряжения

Автоматический регулятор напряжения подключается последовательно в цепь переменного тока, и амплитуда напряжения, подаваемого на лампу накаливания, изменяется путем регулировки положения щетки, тем самым изменяя яркость свет.Хотя автоматический регулятор напряжения громоздок и имеет шум промышленной частоты, из-за высокого КПД системы увеличение или уменьшение нагрузки не влияет на уровень диммирования и на первых порах использовался в больших количествах для диммирования ступеней.

1.1.3 Схема диодного регулирования яркости

Эта схема управляется трехступенчатым переключателем, который используется для подачи полного напряжения, полуволнового питания и управления выключением соответственно. Диод здесь можно рассматривать как односторонний кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), который работает в проводящем состоянии.Этот метод диммирования представляет собой переходный тип от диммирования по амплитуде к диммированию по фазе. Поскольку полуволновое напряжение питания лампы накаливания является фиксированным значением напряжения и не может быть отрегулировано произвольно, а лампа накаливания будет немного мерцать под полуволновым напряжением, практичность этой схемы не очень хорошая.

1.2 Фазовое затемнение

Диммирование с фазовой модуляцией — это изменение формы синусоидальной волны путем регулировки угла проводимости каждой полуволны переменного тока, тем самым изменяя эффективное значение переменного тока, чтобы достичь цели затемнения, также известное как затемнение «срезающей волной».Регулировка яркости с фазовой модуляцией включает два типа: управление фазой по переднему фронту и управление фазой по заднему фронту (также называемое передним и задним). Принцип работы полностью отличается от принципа действия диммирования с амплитудной модуляцией.

1.2.1 Новейший диммер с регулировкой фазы

Новейшие диммеры обладают такими преимуществами, как высокая точность регулировки, высокая эффективность, малый размер, легкий вес и простота эксплуатации на больших расстояниях. Они доминируют на рынке. Большинство производителей имеют диммеры именно этого типа.В передовых диммерах с регулировкой фазы обычно используются тиристоры в качестве переключающих устройств, поэтому их также называют тиристорными диммерами.

Хотя тиристорный диммер имеет простую схему и низкую стоимость, он будет создавать сильные радиопомехи при переключении тиристора. Если не принять эффективных мер фильтрации, это затруднит использование многих электроприборов. Кроме того, тиристорный диммер имеет очень крутой фронт при включении, и форма волны напряжения внезапно скачет от нуля.Это мало влияет на резистивную нагрузку, подобную лампе накаливания, но не подходит для затемнения газоразрядного источника света. . Поскольку большинству газоразрядных источников света требуется цепь управления для совместной работы, а схема управления представляет собой емкостную нагрузку, скачок напряжения, создаваемый тиристорным диммером, будет генерировать большой импульсный ток на емкостной нагрузке, что делает работу схемы нестабильной, и даже приводит к сгоранию схемы привода.

1.2.2 Диммер с регулировкой фазы по заднему фронту

В дополнение к преимуществам диммера SCR диммер с регулировкой фазы по заднему фронту имеет важную особенность, которая может адаптироваться к потребностям регулирования яркости газоразрядной лампы. С ускоренным отказом от ламп накаливания во всем мире потребности пользователей в затемнении источников света, таких как электронные энергосберегающие лампы с емкостным сопротивлением, постепенно увеличивались, и диммеры с задней кромкой только что адаптировались к этим рыночным изменениям. Диммер с управлением фазой по заднему фронту обычно использует MOSFET в качестве переключающего устройства, поэтому его также называют диммером MOSFET.

1,3 ШИМ-диммер

ШИМ-диммер впервые был использован в источниках питания постоянного тока для регулирования линейных нагрузок, таких как лампы накаливания с вольфрамовой нитью. Он использует сигнал ШИМ для управления включением и выключением переключающего устройства и регулирует ток, протекающий через лампочку, путем изменения рабочего цикла. Регулировка яркости.

1.4 Синусоидальный диммер

Принцип синусоидального диммера в чем-то похож на метод ШИМ-диммирования. Выключатель питания, установленный в линии переменного тока, приводится в действие высокочастотным сигналом.Выключатель питания включается несколько раз в каждой полуволне синусоидальной волны, а время проводимости является переменным. Напряжение промышленной частоты на обоих концах нагрузки ограничивается высокочастотным сигналом, и ток, протекающий через нагрузку, можно регулировать, изменяя частоту высокочастотного сигнала, тем самым реализуя управление затемнением. Синусоидальные диммеры обычно используют IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) в качестве переключающих устройств, поэтому их также называют диммерами IGBT.

Синусоидальный диммер не изменяет характеристики синусоидальной волны и оказывает небольшое влияние на рабочее состояние нагрузки, а генерируемые гармонические помехи невелики, что делает его пригодным для использования с нелинейными нагрузками.И это может уменьшить потери в линии и повысить эффективность, уменьшить тепловыделение коммутационных устройств и значительно улучшить применимость и надежность схемы.

Синусоидальный диммер позволяет избежать дефекта «рубки» тиристорного диммера. Он не имеет ограничения по минимальной мощности нагрузки и может адаптироваться к различным типам нагрузок, таким как лампы накаливания, энергосберегающие лампы, балласты люминесцентных ламп и двигатели вентиляторов. Это идеальный диммер. Однако из-за того, что для IGBT требуются специальные приводы и технологии защиты, схема является сложной, а стоимость высока.В настоящее время он используется только в особых случаях, таких как затемнение сцены, но по-прежнему является основным направлением будущего развития.

Среди обычно используемых диммеров для ламп накаливания наиболее широко используются симисторы. Этот диммер включается и выключается один раз в течение каждой полуволны переменного тока. Когда яркость лампы накаливания необходимо уменьшить, тиристор отключит часть переменного тока, чтобы уменьшить ток и достичь цели затемнения.

2.1 Состав цепи

Как только тиристор запускается на проводимость, он будет продолжать проводить, пока напряжение переменного тока не пересечет нулевое значение. Тиристор отвечает за рабочий ток, протекающий через лампу накаливания. Поскольку значение сопротивления лампы накаливания очень низкое, когда она находится в холодном состоянии, и с учетом пикового значения переменного напряжения, во избежание сильного воздействия тока при запуске, тиристор следует зарезервировать при выборе. большая текущая маржа.

Импульс запуска схемы запуска должен иметь достаточную амплитуду и ширину, чтобы тиристор полностью включился. Чтобы тиристор мог надежно срабатывать при различных условиях, напряжение и ток срабатывания триггера, посылаемые схемой триггера, должны быть больше, чем у тиристора. Минимальное значение триггерного напряжения UGT и триггерного тока IGT, а также минимальная ширина триггерного импульса должны продолжаться до тех пор, пока анодный ток не превысит поддерживающий ток (т. Е. Удерживающий ток IL), в противном случае SCR будет снова выключен. потому что он не полностью включен.Ширина триггерного импульса обычно составляет 20 ~ 50 мкс. Для больших индуктивных нагрузок следует увеличить ширину импульса запуска, поскольку ток нарастает медленно. Обычно это 300 мкс ~ 1 мс, что эквивалентно фазовому углу 18 ° синусоидальной волны 50 Гц. Емкость C2 обычно составляет 22 нФ ~ 220 нФ.

В диммере это двунаправленный триггерный диод, который реализует функцию триггера, и обычно используются DB3 и другие типы. Есть также некоторые диммеры, в которых вместо триггерных диодов используются резисторы или неоновые лампы, но фактический эффект от использования не идеален.

Защитный резистор R2 — это защитный резистор, используемый для предотвращения повреждения полупроводниковых устройств, вызванного чрезмерным током, когда POT1 настроен на нулевое сопротивление. Если R2 слишком велик, диапазон регулировки яркости станет меньше, поэтому его следует выбирать соответствующим образом.

Резистор регулировки мощности R1 определяет минимальную мощность, на которую можно настроить лампу накаливания. Если R1 не подключен, лампа накаливания будет полностью погашена при установке POT1 на максимальное значение, что вызовет определенные неудобства в бытовых применениях.После подключения R1, когда POT1 настроен на максимальное значение, из-за эффекта параллельного шунтирования R1 все еще существует определенный ток для зарядки C2, так что минимальная мощность лампы накаливания может быть отрегулирована. Если R1 заменить на переменный резистор, можно добиться более точной регулировки, чтобы обеспечить постоянство массового производства. В то же время R1 также имеет функцию улучшения линейности потенциометра, делая изменение света более подходящим для светочувствительных характеристик человеческого глаза.

Потенциометры Маломощные диммеры обычно выбирают потенциометры с переключателями, которые могут быть связаны для отключения питания при уменьшении яркости до минимума. Такие потенциометры обычно делятся на нажимные (PUSH) и поворотные (ROTARY). Для диммеров с большей мощностью, поскольку ток через контакты переключателя слишком велик, потенциометр и переключатель обычно устанавливаются отдельно для экономии материальных затрат. Принимая во внимание требования к характеристической кривой диммирования, обычно выбирают линейные потенциометры.Полоса сопротивления этого потенциометра распределена равномерно, значение сопротивления на единицу длины равно, а значение сопротивления изменяется в линейной зависимости от расстояния скольжения или угла поворота.

Сеть фильтрации Поскольку прерывание напряжения SCR больше не представляет собой синусоидальную форму волны, генерируется большое количество гармонических помех, которые серьезно загрязняют энергосистему, поэтому необходимо принять эффективные меры фильтрации для уменьшения гармонического загрязнения.Сеть фильтров, образованная L1 и C1 на рисунке, используется для устранения помех, создаваемых тиристором во время работы, чтобы продукт соответствовал соответствующим требованиям электромагнитной совместимости и избегал воздействия на телевизоры, радиоприемники и другое оборудование.

Тепловой предохранитель У мощных диммеров или диммеров, используемых для групповой установки, превышение внутренней температуры выше обычного. Установите в цепь плавкий предохранитель, чтобы отключать цепь при аномальном повышении температуры во избежание аварий.происходить.

2.2 Буферная защита SCR

Когда тиристор работает в цепи, его состояние переключения не завершается мгновенно. Эквивалентное сопротивление тиристора все еще очень велико, когда он только что включен. В это время, если ток растет быстро, это вызовет большие потери при включении; точно так же будет большой ток, когда тиристор близок к полному отключению. В это время, если напряжение на тиристоре быстро возрастает, также будут возникать большие потери при выключении.Потеря переключения приведет к увеличению тепловыделения SCR, а в тяжелых случаях он сгорит в течение этого периода. Принятие соответствующих буферных мер для подавления скорости нарастания тока и напряжения может эффективно улучшить коммутационные рабочие условия тиристора.

Есть два типа демпферных цепей. Один состоит в том, чтобы подавить скорость нарастания тока, используя характеристику, согласно которой ток, протекающий через катушку индуктивности, не может внезапно измениться, а другой — подавить скорость роста напряжения, используя характеристику, согласно которой напряжение на конденсаторе не может внезапно измениться.

Когда тиристор используется в цепи мощного диммирования, из-за повышенной индуктивности большого тока, протекающего через тиристор и лампу, для обеспечения надежности цепи, демпферная цепь RC должна быть подключена параллельно тиристору. для ограничения управляемости Скорость нарастания напряжения (dv / dt) на обоих концах кремния, когда он выключен. Конденсатор используется для ограничения значения dv / dt на симисторе, а резистор используется для ограничения тока разряда конденсатора, когда тиристор включен, и ослабления затухающих колебаний между конденсатором и индуктивностью фильтра.

В вышеупомянутой сети фильтров катушка индуктивности L1 используется для подавления скорости нарастания тока dI / dt при включении тиристора, а конденсатор C и диод D образуют цепь поглощения отключения, чтобы подавить рост тока напряжение на клеммах при выключенном ГТО. Скорость dV / dt, где резистор R обеспечивает путь разряда для конденсатора C. Существует много форм демпфирующих схем, подходящих для различных устройств и различных схем.

2.3 Гистерезис диммера SCR

Обычная тиристорная цепь диммирования имеет явление непостоянного включения и выключения питания.То есть при установке потенциометра на максимальное значение 500К лампа накаливания почти гаснет. Снова уменьшите потенциометр, лампа накаливания будет излучать свет только при настройке ниже 400 К. Мощность, когда потенциометр установлен на минимальный угол, больше, чем мощность в том же положении при включении питания, что характерно для обычных диммеров. Эффект гистерезиса. Причина эффекта гистерезиса заключается в том, что зарядный конденсатор частично разряжается каждый раз при срабатывании тиристора.Небольшой резистор, включенный последовательно на триггерный диод, может смягчить это явление. Более эффективный метод — использовать схему, показанную на рисунке выше, и использовать C2 для запуска тиристора. Из-за эффекта изоляции R3 падение напряжения на C2 очень мало, в то время как C3 напряжение на нем остается неизменным, избегая эффекта гистерезиса.

2.4 Предел минимальной нагрузки тиристорного диммера

При использовании тиристорного диммера, когда нагрузка меньше определенной мощности, лампа мигает, что вызвано недостаточным минимальным током обслуживания тиристора.Поскольку минимальный ток удержания различных типов тиристоров не является согласованным, производитель указывает применимый предел минимальной мощности нагрузки в описании продукта. На эту проблему нужно обращать внимание при ее использовании.

2,5 Мерцание лампы накаливания

Мы знаем, что размер зрачка человеческого глаза будет регулироваться с изменением внешней яркости, чтобы контролировать интенсивность света, попадающего в глаз, но есть разница во времени примерно 50 ~ 200 мс между скоростью регулировки и сменой сцены, цель состоит в том, чтобы предотвратить быстрое увеличение внешней яркости.Усталость глазных мышц, вызванная изменениями, эта характеристика человеческого глаза называется «постоянством зрения».

В лампе накаливания используется переменное напряжение 50 Гц. Поскольку положительная и отрицательная полуволны переменного тока заставят лампу накаливания светиться, лампа накаливания будет мигать 100 раз в течение 1 с, то есть период мерцания составляет 10 мс, что меньше минимального уровня зрения человеческого глаза. Временное время , и поскольку тепловая инерция вольфрамовой лампы относительно велика, человеческому глазу трудно почувствовать мерцание лампы накаливания.

2.6 Шум диммера

При использовании симисторного диммера для управления лампой накаливания мы часто слышим легкое жужжание. Это неотъемлемая характеристика симисторного диммера. Причины этого включают следующие два аспекта:

2.6.1 Колебание фильтра

Высококачественный тиристорный диммер должен иметь LC-фильтр на входе. Его функция заключается в поглощении шума переключения тиристора, сглаживании колебаний напряжения, вызванных периодическим переключением, и предотвращении повреждения диммером внешнего мира.Гармоническая помеха.

Индуктор в LC-фильтре изготовлен из листовой кремнистой стали или материала сердечника из порошкового железа. Когда через него проходит большой ток с частотой 100 Гц (например, источник питания с частотой 50 Гц), магнитопровод будет колебаться, и он будет издавать жужжащий звук. Особенно, когда лампочка настроена на максимальную яркость, ток 100 Гц находится на максимальном значении, а жужжащий звук от диммера более очевиден, что является неизбежной характеристикой схемы.

В нормальных условиях шум, излучаемый магнитопроводом, находится в допустимых пределах.Если шум слишком велик, проблему можно решить, изменив материал магнитопровода или увеличив размер магнитопровода на этапе проектирования.

Другими словами, замена диммера большей мощности обычно может устранить этот шум.

2.6.2 Колебания накала

Когда лампа накаливания самая яркая, тиристор почти включен в течение всего цикла напряжения, а выходной ток в основном непрерывный. В это время лампочка гудеть не будет.Когда лампа не горит, тиристор переключается 100 раз в секунду (например, источник питания 50 Гц). Воздействие этого прерывистого тока на нить накала вызывает жужжащий звук. Особенно, когда яркость лампы составляет 50% ~ 60%, напряжение на SCR мгновенно перескакивает от нуля до пикового значения синусоидального напряжения. В это время нить накала наиболее сильно вибрирует, а звук жужжания самый громкий. Замена лампы на лампу с толстой нитью или лампу с короткой нитью может уменьшить вибрацию нити и уменьшить шум.

Устройство и принцип действия тиристоров | PowerGuru

Тиристор — это полупроводниковый компонент с минимум тремя pn-переходами, которые можно переключать из выключенного состояния в состояние включения. Часто «тиристор» специально обозначает триодный тиристор с обратной блокировкой, который не может переключаться в обратном направлении, а блокируется. В дополнение к двум выводам, которые обеспечивает диод, тиристор имеет затвор, который служит для переключения тиристора во включенное состояние (рисунок 1).

Рисунок 1. Вольт-амперная характеристика тиристора с направлениями напряжения и рабочими состояниями

Тиристор состоит из четырех чередующихся областей с примесью n и p (рис. 2). Вместе с соседними p-легированными областями средняя область n формирует pn-переходы с высокой степенью блокировки в прямом и обратном направлении.

Рисунок 2. Схема тиристора (стеклообразование действует как защита от воздействия окружающей среды и стабилизирует обратные токи)

Пассивация (здесь: глассивация) должна выполняться для обоих pn-переходов.Чтобы понять, как работает тиристор, вы можете сначала представить тиристор, разделенный на транзистор NPN и транзистор PNP (рисунок 3).

Рисунок 3. Разделение тиристора на два связанных транзистора NPN и PNP

Если катод имеет отрицательную поляризацию по отношению к аноду, ток будет течь от затвора к катоду. В результате катод, который является эмиттером NPN-транзистора, будет инжектировать электроны. Ток затвора усиливается транзистором NPN.Некоторые из этих электронов достигают низколегированной области, которая одновременно действует как коллектор транзистора NPN и база транзистора PNP. В транзисторе PNP этот ток дополнительно усиливается и передается на базу транзистора NPN. Это соединение частей транзистора имеет решающее значение для функционирования тиристора.

Усиление тока в транзисторе зависит от тока. Как только ток в области затвора становится настолько высоким, что сумма коэффициентов усиления по току (в базовой схеме) дает α npn + α pnp ≥ 1, ток чрезмерно усиливается и тиристор срабатывает, это означает, что он переходит во включенное состояние.Короткого импульса тока на затвор (например, длительностью 10 мкс) достаточно для срабатывания тиристора. Если основной ток превысил ток фиксации I L в конце импульса запуска, тиристор останется во включенном состоянии. Только если основной ток упадет ниже тока удержания I H , ​​тиристор переключится обратно в прямое выключенное состояние (состояние блокировки). Весь ток, протекающий через pn-переход от затвора к катоду, действует как ток триггера, если он достаточно высок:

  • Внешний ток срабатывания от затвора до катода
  • Ток в закрытом состоянии при превышении максимального напряжения блокировки (напряжение отключения) («срабатывание при переключении»)
  • Ток, генерируемый в области пространственного заряда при падении света (запуск света)
  • Избыточная температура (термически генерируемый ток в закрытом состоянии)
  • Емкостной ток смещения из-за резко возрастающего анодного напряжения (dv / dt)

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, прочтите:

Динамические свойства тиристоров

Основы тиристора

Биполярный переходной транзистор

Надежный срабатывание тиристора

ВН: Ф [1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.