Что делает тиристор – Что делает тиристор. Тиристоры. Виды и устройство. Особенности и принцип действия. Применение

Содержание

Тиристор: принцип работы. Классификация тиристоров

Принцип работы тиристоров основывается на основе полупроводникового кристалла (электронного ключа) с тремя или более p-n переходами. Элемент имеет две устойчивых позиции: состояние низкой или высокой проводимости. Под воздействием контрольного сигнала прибор приводится в проводящее воздействие. Другими словами – он включает цепь. Для ее активации необходимо создать подходящие условия, обеспечивающие снижение основного тока до нулевой отметки.

Описание

На пальцах принцип работы тиристора можно объяснить следующим образом: ключи проводят ток исключительно в прямом направлении. А в закрытом положении он выдерживает также и обратное напряжение. Структура приспособления имеет четыре слоя и три вывода:

  1. А (анод).
  2. К (катод).
  3. У (управляющий электрод).

Мощные электронные ключи оснащены различными амперными и вольтажными параметрами, которые влияют на работоспособность и состояние элемента. Тиристоры способны функционировать при значениях до пяти тысяч вольт, 5000 А, если частота не превышает 1000 Гц.

Коммутация

Принцип работы тиристора позволяет работать ему в двух коммутирующих диапазонах:

  1. Естественной коммутации. Она возникает при работе прибора в схеме переменного тока. Происходит данный процесс, когда ток снижается до нулевой позиции.
  2. Принудительной коммутации. Этот процесс может осуществляться несколькими способами в зависимости от схемы, используемой разработчиком.

Стандартным видом принудительной коммутации является подключение заряженного конденсатора. В такой цепи при нагрузке происходят колебания тока.

Способы выключения и включения

Принцип работы тиристора позволяет использовать несколько способов принудительной коммутации. Среди них:

  1. Использование конденсатора с обратной полярностью. Он может активироваться в цепи при помощи вспомогательного элемента. Затем производится разряд на основной тиристор, в результате чего ток, направленный навстречу прямому напряжению, будет обеспечивать его снижение вплоть до нулевой позиции. Происходит выключение прибора, что обусловлено его характерными особенностями.
  2. Подключение LC-цепочек. Они разряжаются с колебаниями, обеспечивая встречу рабочего и разрядного тока. После их уравновешивания тиристор выключается. В итоговой фазе ток из колебательной цепи перемещается через тиристор в полупроводниковый диод. Во время этого процесса к прибору применяется определенное напряжение, равное по модулю аналогичному показателю на диоде.

Принцип работы тиристора в цепях постоянного тока

Стандартный прибор активируется посредством подачи тока на контрольный вывод. Он должен быть положительным по отношению к катоду. Течение переходных потоков зависит от вида нагрузки, ее амплитуды и скорости нагнетания импульсного тока. Кроме того, имеет значение температурный режим полупроводникового кристалла, а также приложенное напряжение в схемах тиристоров. Параметры схемы непосредственно зависят от типа используемого полупроводника.

В цепи размещения тиристора не допускается интенсивное нарастание скорости повышения напряжения. Достигается такое значение, которое обеспечивает самопроизвольную деактивацию прибора, даже без наличия сигнала в системе управления. При этом синхронно должен поддерживаться высокий показатель характеристики блока управления.

Переменная цепь: принцип действия тиристоров

Принцип работы элемента в этом случае позволяет осуществить следующие действия:

  1. Активировать или разорвать электрическую цепь с активной или резистивной нагрузкой.
  2. Корректировать рабочий и средний показатель тока, дающего нагрузку. Это возможно благодаря регулировке пика подачи управления.
  3. Поскольку тиристоры проводят ток в одном направлении, в переменных цепях потребуется использование встречно-параллельного включения. Рабочее и среднее значение напряжения может варьироваться по причине изменения сигнала подачи на прибор. В любом случае мощность элемента должна соответствовать предъявляемым параметрам.

Фазовая и широтно-импульсная модуляция

Способы включения тиристоров также предусматривают фазовое управление. При этом выполняется регулировка нагрузки путем корректировки фазовых углов. Искусственно коммутирование доступно произвести посредством применения специальных цепей либо полностью запираемых аналогов. Таким способом изготавливают преимущественно тиристоры на зарядные устройства с возможностью регулировки силы тока соответственно заряду аккумулятора.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) работает следующим образом:

  • При открытии тиристора подается сигнал контроля.
  • При этом переходы находятся открытыми, а на нагрузочной части появляется определенное напряжение.
  • В период закрытия элемента сигнал управления не транслируется, что обеспечивает остановку подачи тока через прибор.

Стоит отметить, что при фазовом контроле кривая тока не является синусоидальной, выполняется трансформация формы сигнала напряжения. При этом намечается нарушение функционирования потребляющих элементов, которые восприимчивы к помехам высоких частот. Изменить величину на требуемый показатель позволяет специальный регулятор.

Разновидности

Существует несколько типов тиристоров (принцип работы для «чайников» рассмотрен выше). Используются они в зарядных устройствах, переключателях, регуляторах уровня громкости. Выделяют следующие модификации:

  • Оптотиристор. Использует в цепи полупроводник, особо чувствительный к свету. Управляется прибор путем подачи светового потока.
  • Тиристор-диод. Оснащен активным параллельно подключенным диодом.
  • Динистор. Может трансформироваться в режим полной проводимости (при превышении номинального показателя напряжения).
  • Симистор. Состоит из пары тиристоров, имеющих встречное параллельное включение.
  • Инверторный тиристор. Отличается высокой коммутативной скоростью до 50 мкс.
  • Элементы с полевым транзистором. Работают по типу металло-оксидных полупроводников.

Характеристики

Рассмотрим параметры и принцип работы тиристора КУ202Н:

  • Предельное напряжение – 400 В.
  • Постоянный/повторяющийся импульсный ток – 30/10 А.
  • Напряжение в открытом режиме – 1,5 В.
  • Показатель рабочего постоянного тока – 4 мА.
  • Отпирающий ток на контрольном блоке – 200 мА.
  • Максимальная нарастающая скорость в закрытом положении – 5 В/мкс.
  • Период включения/выключения – 10/100 мкс.

Работает прибор по стандартной схеме для запирающихся тиристоров. Его аналоги: 1Н4202, ВТХ32 С100, КУМ202М.

Конструкция

Четырехслойная конфигурация тиристоров отличает их от аналогов полной управляемостью элемента. Амперный и вольтажный показатель при прямом направлении тока схож с параметрами обычных тиристоров. Однако рассматриваемые приборы способны пропускать существенное напряжение. Опции блокировки обратных больших напряжений у запираемых элементов не предусмотрены. В связи с этим требуется его агрегация со встречным параллельным диодом-полупроводником.

Существенное падение прямых напряжений является основной отличительной особенностью запираемого тиристора. Для его отключения необходимо выполнить подачу мощного импульсного тока на управляющий вывод. При этом длительность импульса должна быть максимально низкой (от 10 до 100 мкс). Отрицательное соотношение с прямым током составляет пропорцию 1/5. Итоговая разница предельного напряжения рассматриваемого прибора на 25% меньше, чем у обычного аналога.

В заключение

Нами были рассмотрена классификация тиристоров и их особенности. Можно сделать следующий вывод: данные приспособления представляют собой приборы, относящиеся критично к скоростям нарастания прямого напряжения и силы тока. Для тиристоров характерно протекание обратных токов, позволяющих быстро понизить значение в цепи до нулевой отметки. Для защиты элементов следует применять различные схемы, дающие возможность предохранить блок от высоких напряжений в динамическом режиме.

fb.ru

Что такое тиристор? Подробное описание полупроводника

Для того чтобы ясно представить себе работу тиристорного преобразователя необходимо дать понятие о сущности работы тиристора.

Управляемый проводник, состоящий из четырех полупроводниковых переходов P-N-P-N. Его принцип работы аналогичен работе диода и осуществляется при поступлении на управляющий электрод электротока.

Прохождение через тиристор тока возможно только в том случае, если потенциал анода будет выше, чем потенциал катода. Ток через тиристор прекращает проходить тогда, когда величина тока снизится до порога закрытия. Ток, который поступает на управляющий электрод не оказывает воздействие на величину тока в основной части тиристора и, кроме того ему не нужна постоянная поддержка при основном состоянии тиристора, он необходим исключительно для открытия тиристора.

Существует несколько решающих характеристик тиристора

В открытом состоянии, благоприятном для токопроводящей функции тиристор характеризуют следующие показатели:

  • Падение напряжения, оно определяется как пороговое напряжение с помощью внутреннего сопротивления.
  • Максимально допустимое значение тока до 5000 А, среднеквадратичная величина, свойственная для самых мощных компонентов.

В запертом состоянии тиристора – это:

  • Прямое максимально допустимое напряжение (выше, чем 5000А).
  • В общем случае прямое и обратное значение напряжения одинаковы.
  • Время запирания или время с минимальным значением, в течение которого на тиристор не осуществляется влияние положительного значения напряжения анода относительно катода, иначе произойдет самопроизвольное отпирание тиристора.
  • Ток управления, свойственный для открытой основной части тиристора.

Существуют тиристоры, предназначенные для работы в схемах, рассчитанных на небольшое значение частоты и для схем с высокой частотой. Это так называемые быстродействующие тиристоры, их область применения рассчитана на несколько килогерц. Для быстродействующих тиристоров характерно использование неодинакового прямого и обратного напряжения.

Для увеличения постоянного значения напряжения

Рис. №1. Габаритно-присоединительные размеры и чертеж тиристора.m1, m2 –контрольные точки, в которых происходит замер импульсного напряжения во время открытого состояния. L1min –наименьший воздушный промежуток (расстояние) по воздуху между выводами анода и управляющего электрода; L2min – минимальное расстояние длина прохождения тока утечки между выводами.

Разновидности тиристоров

  • Динистор – тиристор диодный, имеет два вывода анод и катод.
  • Тринистор – триодный тиристор оснащен добавочным управляющим электродом.
  • Симистор – симметричный тиристор, он является встречно-последовательным соединением тиристоров, обладает возможностью пропускать ток в прямом и обратном направлениях.

Рис. №2. Структура (а) и вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора.

Тиристоры предназначены для работы в схемах с различными границами частот, в обычном применении тиристоры могут соединяться с диодами, который подключается встречно-включенным способом, это свойство используется для того чтобы увеличить постоянное напряжение, величину которого компонент способен выдержать в выключенном состоянии. Для усовершенствованных схем используется тиристор GTO (Gate Turn Oee – запираемый тиристор), он полностью управляем. Его запирание происходит по управляющему электроду. Использование тиристоров подобного рода нашло применение в очень мощных преобразователях, так как он может пропускать высокие токи.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

elektronchic.ru

как работает тиристор | Электрознайка. Домашний Электромастер.

♦Динистор и тиристор в цепях постоянного тока.


♦     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 < Uпр), 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 лампочка 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.

/span

domasniyelektromaster.ru

устройство тиристора | Электрознайка. Домашний Электромастер.

Что такое динистор и тиристор?  


  ♦     Тиристор – полупроводниковый прибор на основе монокристалла полупроводника с многослойной структурой типа p –n –p – n обладает свойствами управляемого электрического вентиля. В качестве полупроводника обычно применяют кремний.

   Обычно тиристор имеет три вывода: два из них (катод и анод) контактируют с крайними областями монокристалла, а третий вывод – управляющий. Такой управляемый тиристор называется иногда триодным, или тринистором.

   Неуправляемый тиристор, имеющий всего два вывода (анод — катод), называется диодным тиристором или динистором.

   Четырехслойная структура тиристора изображена на рис 1.

     На рисунке 2 — его транзисторный аналог.

   ♦      Вольт-амперная характеристика, ВАХ динистора, имеет вид на рисунке 3.

 

  Устойчивое состояние (точка D на ВАХ) достигается в результате перехода транзисторов тиристора в режим насыщения. Падение напряжения на открытом динисторе — тиристоре составляет около 1,5 – 2,0 вольта.

    Если на анод подать положительное напряжение относительно катода, то крайние электронно-дырочные переходы П1 и П3 оказываются смещенными в прямом направлении, а центральный переход П2 в обратном.

    С увеличением анодного напряжения , ток через динистор сначала растет медленно (участок А — В на ВАХ). Сопротивление перехода П2 , в этом режиме еще велико, это соответствует запертому состоянию динистора.

   При некотором значении напряжения (участок В — С на ВАХ). называемым напряжением переключения Uпер (напряжение лавинного пробоя перехода П2), динистор переходит в проводящее состояние.   
В цепи устанавливается ток (участок D – E на ВАХ), определяемый сопротивлением внешней цепи Rн и величиной приложенного напряжения U (рис 2).
Напряжение пробоя динистора, в зависимости от экземпляра, изменяется в широких пределах и имеет значения порядка десятков и сотен вольт.  
На вольт – амперной характеристике, ВАХ (рис 3.), обозначены участки: 
 — А – В участок в прямом включении, здесь динистор заперт и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения лавинного пробоя;
 — В – С участок пробоя коллекторного перехода;
 — C — D участок отрицательного сопротивления;
— D — E участок открытого состояния динистора (динистор включен).

    Динистор имеет два устойчивых состояния:
— заперт (А – В)
— открыт (D — E)

 В участке A – D – E явно просматривается кривая ВАХ диода.

♦     Тиристор имеющий три электрода – анод, катод и управляющий электрод – называется тринистором или просто тиристором.   Четырех слойная структура типа p – n – p – n является единой для тиристора – динистора. Просто, у динистора отсутствует дополнительный вывод управляющего электрода.   
При подаче тока в цепь управляющего электрода, тиристор переключается в открытое состояние при меньших значениях напряжения переключения Uпер.   
Если каким-то образом уменьшать ток, проходящий через динистор — тиристор, то при некотором его значении (точка D на ВАХ) тиристор закроется.Минимальный ток, при котором тиристор — динистор переходит из открытого в закрытое состояние (при токе управляющего электрода Iу =0) называется током удержания Iуд.   
Если через управляющий электрод тиристора пропустить отпирающий ток, то тиристор перейдёт в открытое состояние.   Включение транзисторного аналога тиристора (рис 2) можно осуществить по двум входам: между электродами (Э1 –Б1), либо между электродами (Э2 – Б2).

 ♦    Вольтамперная характеристика тиристора (Рис 4), похожа на вольтамперную характеристику динистора.    
Однако отпирание тиристора обычно происходит при существенно более низком  напряжении, чем необходимо динистору. К раннему открыванию тиристора приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода от Iy1 до Iy4, тем при более низком  напряжении Ua тринистор перейдёт в открытое состояние. Это отражено на вольтамперной характеристике тиристора.

 ♦    Тиристоры изготавливают на разные мощности: маломощные (ток 50 мА. – 100 мА), средней мощности (ток до 20 ампер) и большой мощности (токи 20 – 10000 ампер) и величины напряжения от нескольких вольт до 10 тысяч вольт.

 ♦    По назначению и принципу действия тиристоры делятся на: запираемые, быстродействующие, импульсные, симметричные и фототиристоры.   Тиристор и динистор пропускают ток только в одном направлении – от анода к катоду.

 ♦     В настоящее время появились двунаправленные динисторы (пропускают ток в обоих направлениях) и двунаправленные тиристоры (симисторы).

 

    Симистор имеет в своем составе как бы два тиристора, включенных встречно, с управлением от одного управляющего электрода.ВАХ (вольт — амперная характеристика) симистора представлена на рис 5.
Она имеет две одинаковые ветви. При положительном полупериоде сетевого напряжения действует правая ветвь, при отрицательном полупериоде – левая.
На управляющий электрод, относительно катода, также подается соответственно то положительное, то отрицательное управляющее напряжение. В схемах управления, симистор может заменить два тиристора.

   ♦     Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.   
Наличие двух устойчивых состояний (включен — выключен), а также низкая мощность рассеяния тиристора, обусловили широкое использование их в различных устройствах.    
Тиристоры применяются в регулируемых источниках питания, генераторах мощных импульсов, в линиях передачи энергии постоянного тока, в системах автоматического управления и т.д.

    Внешний вид тиристора и его обозначение на схемах:

  

    Симисторы нашли широкое применение в устройствах регулирования скорости вращения электродвигателей, в системах регулирования освещения, в электронагревателях, в преобразовательных установках.

    Внешний вид симистора такой же как и у обычного тиристора.

domasniyelektromaster.ru

типы, характеристики, область применения / Школа электрика / Коллективный блог

Тиристор – это полупроводниковый прибор, который изготавливается на основе монокристаллического полупроводника, имеющего три (и более) p-n-перехода. Тиристор характеризуются наличием двух устойчивых состояний:

  • закрытый – полупроводник находится в состоянии низкой проводимости, ток практически не протекает

  • открытый – полупроводник в состоянии высокой проводимости, ток проходит через элемент фактически без ограничений

По сути, тиристор – электрический силовой управляемый ключ (правда, его управляемость не является стопроцентной). В технической литературе встречается и другое название – однооперационный тиристор, ведь управляющий сигнал может только перевести тиристор в открытое (рабочее) состояние. Чтобы выключить тиристор, необходимо принять особые меры, направленные на уменьшение прямого тока до минимума (нуля).

Структура тиристора – это последовательность четырех, соединенных последовательно, слоев p и, соответственно, n типа, образующих структуру р-n-р-n:

  • крайняя область, на которую поступает положительный (+) полюс питания – анод, р – типа

  • другая крайняя область, к которой прикладывается отрицательное (-) напряжение, катод, – >n типа

  • управляющий электрод (конструкционно может быть предусмотрено размещение до 2 электродов) присоединяется к внутренним слоям.

Вот так схематично выглядит принцип действия тиристора:

Для начала рассмотрим случай, при котором напряжение на управляющем электроде отсутствует, тиристор подключен по схеме динистора – напряжение прикладывается только к аноду (соответственно, +) и катоду (-).

В таком состоянии тиристор можно представить в следующем виде:

В этом состоянии коллекторный p-n-переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют малое сопротивление, поэтому фактически все напряжение, поступающее от источника питания, прикладывается к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через тиристор ток имеет незначительное значение.

На представленной вольт-амперной характеристике (ВАХ) это состояние соответствует участку 1.

При росте напряжения, поступающего от источника питания, до определенного момента ток тиристора растет незначительно. Но при приближении к некоторому критическому значению (обозначенного на графике Uвкл, общепринятое название – напряжение включения), в динисторе возникают условия, при котором в районе коллекторного перехода начинается увеличение носителей заряда, которое принимает лавинный характер. В результате в коллекторном переходе наступает обратимый электрический пробой (на графике – точка 2). В p-области коллекторного перехода возникает избыточная концентрация положительных зарядов (дырок), в n-области – концентрация электронов. Рост концентрации этих носителей приводит к снижению потенциального барьера на всех трех переходах динистора, через эмиттерные переходы резво увеличивается инжекция носителей. Процесс окончательно принимает лавинообразный характер, который приводит к переключению в открытое состояние коллекторного перехода. Одновременно происходит рост тока и падение сопротивления по всем областям прибора, как следствие – рост тока, проходящего через прибор, сопровождается падением напряжения между катодом и анодом (на графике – отрезок 3). На этом отрезке динистор имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. На резисторе растет напряжение и динистор переключается.

После того, как коллекторный переход оказывается открытым, ВАХ динистора принимает вид, полностью повторяющий ВАХ диода на прямой ветви (на графике – участок 4). После того, как динистор переключился, напряжение падает до 1 В. В дальнейшем увеличение значения напряжения или снижение сопротивления (резистор R) приведет к росту выходного тока – ситуация точно повторяет процессы, происходящие с диодом при его прямом включении. Если же напряжение уменьшить, то высокое сопротивление, характерное для коллекторного перехода, практически мгновенно (десятки микросекунд) восстанавливается, динистор закрывается, ток падает.

Напряжение включения (Uвкл), при котором происходит лавиноподобное нарастание тока, можно регулировать, внося в любой из слоев, которые прилегают к коллекторному переходу, неосновные носители заряда. Для этого используется дополнительный электрод – управляющий, запитываемый из независимого источника, который подает управляющее напряжение – Uупр. На рисунке четко просматривается зависимость – при росте Uупр напряжение включения уменьшается.

Параметры тиристоров

Для численного описания характеристик тиристора используются следующие параметры:

  • Uвкл (напряжение включения) – напряжение, при котором происходит переход тиристора в открытое состояние

  • Uo6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение – значение напряжения, при котором происходит электрический пробой. Для большинства тиристоров справедливо равенство Uo6p.max. = Uвкл

  • максимально допустимое значение тока

  • среднее значение тока за период

  • Unp — значение прямого падения напряжения при открытом тиристоре, колеблется в пределах 0,5 — 1В

  • обратный максимальный ток – ток, появляющийся при приложении обратного напряжения, за счет движения неосновных носителей

  • ток удержания – значение анодного тока, при котором происходит закрытие тиристора

  • максимальная мощность

  • время отключения – время, необходимое для закрывания тиристора

  • предельная скорость, с которой происходит нарастание анодного тока

Тиристоры: основные типы

Сегодня разработано большое количество тиристоров, отличающихся процессами управления, быстродействием, величиной и направлением током. При этом можно выделить наиболее востребованные типы тиристоров:

  • тиристор-диод – эквивалент тиристора, имеющего встречно-параллельное включение с диодом

  • динистор (диодный тиристор) – подробно рассмотрен выше, имеет всего два электрода, управляющий электрод отсутствует

  • запираемый тиристор

  • симистор (симметричный тиристор) – эквивалент двух встречно-параллельно подключенных тиристоров

  • инвесторный тиристор – отличается высоким быстродействием, время включения составляет от 5 до 50 мкс

  • фоторизистор – роль управляющего электрода выполняет фотоэлемент

Запираемые тиристоры

Запираемый тиристор имеет четырехслойную классическую >p->n->p->n структуру, но при этом имеют целый ряд конструктивных особенностей, позволяющих им получить принципиальное отличие от обычных тиристоров – полную управляемость. Благодаря воздействию тока от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут как переходить в открытое состояние из закрытого, так и в обратном направлении – из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод подается напряжение, обратное тому, которое вызвало открытие тиристора. Для выключения тиристора по цепи управляющего электрода подается мощный (рекомендуемое соотношение 1:5 по отношению к текущему значению прямого тока, проходящего через открытый тиристор), но короткий по длительности (от 10 до 100 мкс) импульс отрицательного тока. При использовании запираемых тиристоров стоит помнить, что их предельные значения (по току и напряжению) с среднем до 30% меньше, чем у обычных.

На практике запираемые тиристоры активно используются в роли электронных ключей в преобразовательной технике.

Симисторы

В отличие от четырехслойного тиристора, симистор (другое название – триак, происходящее от английской TRIAC, аббревиатуры от triode for alternating current) имеет пятислойную структуру.

Схема симистора

Благодаря такой структуре он имеет возможность пропускать ток в двух направлениях – как от катода к аноду, так и в противоположном направлении – от анода к катоду, а на управляющий электрод может подаваться управляющее напряжение разной полярности – как положительное, так и отрицательное. Благодаря этому вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид.

Как реле или электронный выключатель симистор имеет ряд преимуществ, если брать электромеханические аналоги: он значительно дешевле, полностью отсутствует механическая часть, искрение и подгорание контактов, большой срок службы. К недостаткам следует отнести необходимость обеспечить отвод тепла (симисторы чувствительны к нагреванию, поэтому требуют монтажа на радиаторе), не могут работать на высоких частотах – имеют значительную длительность переходных процессов. Кроме того, при монтаже симистора следует обязательно обеспечить его защиту от электрических шумов, наводок и помех, которые могут спровоцировать ложное срабатывание.

О том, что такое симистор и как он работает, детально объясняет следующее видео:

Особенности монтажа симисторов:

— при малых нагрузках или когда токи нагрузки представляют собой короткие импульсы (до 1 секунды), монтаж симисторов можно проводить без теплоотводящего радиатора. В прочих случаях – его наличие обязательно

— к теплоотводу триак может фиксироваться креплением зажимом (наиболее предпочтительный способ), креплением винтом или клепкой (не рекомендуется, может вызвать повреждение кристалла)

— для уменьшения вероятности несанкционированного срабатывания из-за шумовых наводок, длина проводника, подходящего к затвору, должна быть минимальна. Для подключения желательно использовать экранированный кабель или витую пару.

Фототиристоры

Фототиристор (другое название — оптотиристор) – специальный тиристор, особенностью которого является наличие в корпусе (при дискретном исполнении) фотоэлемента, выполняющего роль управляющего электрода.

При облучении световым потоком определенной мощности фотоэлемент переводит тиристор в открытое положение.

Данное видео наглядно знакомит с принципом работы фототиристора:

Применение тиристоров

В целом применение тиристоров можно разделить на 4 группы:

  • силовые ключи – переключатели переменного напряжения. Одним из определяющих моментов, влияющих на востребованность подобных схем, выступает низкая мощность, которая рассеивается тиристором в схемах переключения. В закрытом состоянии мощность практически не рассеивается из-за того, что ток практически равен нулю. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность незначительна благодаря небольшим значениям напряжения

  • пороговые устройства – в них задействовано основное свойство тиристора – открываться (пропускать ток) при достижении напряжением определенного значения. Эта группа схем особенно активно используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

  • подключение постоянного тока – для прерывания, включения/выключения используются запирающие тиристоры. Правда, при этом схемы требуют определенной доработки – тиристоры в целом плохо работают в цепях с постоянным током. Но высокая надежность, способность работать с большими по значению токами и напряжениями полностью оправдывают некоторые неудобства

  • экспериментальные устройства – в них используется свойство тиристора иметь отрицательное сопротивление, пребывая в переходном режиме

Как проверить работоспособность тиристора или симистора:

ВложениеРазмер
tiristor-01.JPG7.01 КБ
tiristor-02.JPG8.89 КБ
tiristor-10.JPG11.98 КБ

44kw.com

принцип работы и что это такое?

Открытие свойств переходов полупроводников по праву можно назвать одним из важнейших в ХХ веке. В результате появились первые полупроводниковые приборы — диоды и транзисторы. А также схемы, в которых они нашли применение. Одной из таких схем является соединение двух биполярных транзисторов противоположных типов — p-n-p c n-p-n. Эта схема показана далее на изображении (б). Она иллюстрирует, что такое тиристор и принцип его действия.  В ней присутствует положительная обратная связь. В результате каждый транзистор увеличивает усилительные свойства другого транзистора.

Транзисторный эквивалент

При этом любое изменение проводимости транзисторов в любом направлении лавинообразно нарастает и завершается одним из граничных состояний. Они либо заперты, либо отперты. Этот эффект называется триггерным. А по мере развития микроэлектроники оба транзистора объединили в 1958 году на одной подложке, обобщив одноименные переходы. В результате появился новый полупроводниковый прибор, названный тиристором. На взаимодействии двух транзисторов и зиждется принцип работы тиристора. В результате объединения переходов у него такое же количество выводов, как и у транзистора (а).

Структура тиристора и его транзисторная эквивалентная схема

На схеме управляющий электрод — это база транзистора структуры n-p-n. Именно ток базы транзистора изменяет проводимость между его коллектором и эмиттером. Но управление может быть выполнено также и по базе p-n-p транзистора. Таково устройство тиристора. Выбор управляющего электрода определяют его особенности, в том числе выполняемые задачи. Например, в некоторых из них вообще не используются какие-либо управляющие сигналы. Поэтому, зачем же использовать управляющие электроды…

Динистор

Это задачи, где применяются двухэлектродные разновидности тиристоров — динисторы. В них присутствуют резисторы, соединенные с эмиттером и базой каждого транзистора. Далее на схеме это R1 и R3. Для каждого электронного прибора есть ограничения по величине приложенного напряжения. Поэтому до некоторой его величины упомянутые резисторы удерживают каждый из транзисторов в запертом состоянии. Но при дальнейшем увеличении напряжения через переходы коллектор–эмиттер появляются токи утечки.

Они подхватываются положительной обратной связью, и оба транзистора, то есть динистор, отпираются. Для желающих поэкспериментировать далее показано изображение со схемой и номиналами компонентов. Можно ее собрать и проверить рабочие свойства. Обратим внимание на резистор R2, отличающийся подбором нужного номинала. Он дополняет эффект утечки и, соответственно, напряжение срабатывания. Следовательно, динистор — это тиристор, принцип работы которого определен величиной питающего напряжения. Если оно относительно велико, он включится. Естественно интересно также узнать, как же его выключить.


Динистор и его эквивалентная схема

Трудности выключения

С выключением тиристоров дело обстояло, как говорится, туго. По этой причине довольно длительное время виды тиристоров ограничивались только двумя выше упомянутыми структурами. До середины девяностых годов ХХ века применяются тиристоры только этих двух типов. Дело в том, что выключение тиристора может произойти лишь при запирании одного из транзисторов. Причем на определенное время. Оно определено скоростью исчезновения зарядов соответствующих отпертому переходу. Наиболее надежный способ «прибить» эти заряды — полностью отключить ток, протекающий через тиристор.

Большинство из них так и работают. Не на постоянном токе, а на выпрямленном, соответствующем напряжению без фильтрации. Оно изменяется от нуля до амплитудного значения, а затем вновь уменьшается до нуля. И так далее, соответственно частоте переменного напряжения, которое выпрямляется. В заданный момент между нулевыми значениями напряжения на управляющий электрод поступает сигнал, и тиристор отпирается. А при переходе напряжения через ноль вновь запирается.

Чтобы выключить его на постоянном напряжении и токе, при котором значение нуля отсутствует, необходим шунт, действующий определенное время. В простейшем варианте это либо кнопка, присоединенная к аноду и катоду, либо соединенная последовательно. Если прибор отперт, на нем присутствует остаточное напряжение. Нажатием кнопки оно обнуляется, и ток через него прекращается. Но если кнопка не содержит специального приспособления, и ее контакты разомкнутся, тиристор непременно снова включится.


Схемы выключения динистора

Этим приспособлением должен быть конденсатор, подключаемый параллельно тиристору. Он ограничивает скорость нарастания напряжения на приборе. Этот параметр вызывает набольшее сожаление при использовании этих полупроводниковых приборов, поскольку понижается рабочая частота, с которой тиристор способен коммутировать нагрузку, и, соответственно, коммутируемая мощность. Происходит это явление из-за внутренних емкостей, характерных для каждой из моделей этих полупроводниковых приборов.

Конструкция любого полупроводникового прибора неизбежно образует группу конденсаторов. Чем быстрее нарастает напряжение, тем больше токи, их заряжающие. Причем они возникают во всех электродах. Если такой ток в управляющем электроде превысит некоторое пороговое значение, тиристор включится. Поэтому для всех моделей приводится параметр dU/dt.

Способ выключения тиристоров

  • Выключение тиристора, как результат перехода питающего напряжения через ноль, называется естественным. Остальные варианты выключения называются принудительными или искусственными.

Многообразие модельного ряда

Эти варианты выключения усложняют тиристорные коммутаторы и уменьшают их надежность. Но развитие тиристорного разнообразия получилось очень плодотворным.

В наше время освоено промышленное производство большого числа разновидностей тиристоров. Область их применения — не только мощные силовые цепи (в которых работают запираемый и диод-тиристор, симистор), но и цепи управления (динистор, оптотиристор). Тиристор на схеме изображается, как показано далее.


Типы тиристоров
Внешний вид тиристоров
Обозначения тиристоров

Среди них есть модели, у которых рабочие напряжения и токи самые большие среди всех полупроводниковых приборов. Поскольку промышленное электроснабжение немыслимо без трансформаторов, роль тиристоров в его дальнейшем развитии является основополагающей. Запираемые высокочастотные модели в инверторах обеспечивают формирование переменного напряжения. При этом его величина может достигать 10 кВ с частотой 10 килогерц при силе тока 10 кА. Габариты трансформаторов при этом уменьшаются в несколько раз.

Включение и выключение запираемого тиристора происходит исключительно от воздействия на управляющий электрод специальными сигналами. Полярность соответствует определенной структуре этого электронного прибора. Это одна из простейших разновидностей, именуемая как GTO. Кроме нее применяются более сложные запираемые тиристоры со встроенными управляющими структурами. Эти модели называются GCT, а также IGCT. Использование в этих структурах полевых транзисторов относит запираемые тиристоры к приборам семейства MCT.

Мы постарались сделать наш обзор информативным не только для начитанных посетителей нашего сайта, но также и для чайников. Теперь, когда мы ознакомились с тем, как работает тиристор, можно найти применение этим знаниям для практического использования. Например, в несложном ремонте бытовых электроприборов. Главное — увлекаясь работой, не забывайте о технике безопасности!

Похожие статьи:

domelectrik.ru

Тиристоры. Устройство, принцип работы, вольт-амперная характеристика

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 J1  и J3 прикладывается обратное напряжение, а к J2  — 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 J1  и J3. 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 J1  и J3 будет приложено прямое, а к J2 – 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 J2 и тиристор будет переведен в состояние высокой проводимости. При этом Ua 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 последовательное  или параллельное  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 тиристора можно посмотреть здесь.

elenergi.ru