Тиристор: принцип работы. классификация тиристоров

Основные характеристики

При выборе тиристоров обращают внимание на определенные параметры:

  1. Напряжение включения позволяет перевести полупроводниковый прибор в рабочее состояние.
  2. Временной интервал задержки запуска и остановки изделия.
  3. Уровень обратного тока при максимальном значении обратного напряжения.
  4. Показатель общей рассеивающей мощности.
  5. Прямое напряжение при предельном токе анода.
  6. Пиковый ток электрода, обеспечивающего управление.
  7. Обратное напряжение в закрытом состоянии.
  8. Максимальный открытый ток в открытом положении.

При выборе тиристора не следует забывать о предназначении прибора. На это непосредственное влияние оказывает временной интервал перехода в открытое или закрытое состояние. Как правило, период включения является более коротким, чем промежуток выключения.

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.

Тиристоры в цепи переменного тока

При подключении к источнику переменного тока тиристор работает несколько иначе. Это связано с периодическим изменением полярности переменного напряжения.

Поэтому применение в схемах с питанием переменным напряжением автоматически будет приводить к состоянию обратного смещения перехода. То есть в течение половины каждого цикла прибор будет находиться в состоянии «отключено».

Для варианта с переменным напряжением схема тиристорного запуска аналогична схеме с питанием постоянным напряжением. Разница незначительная — отсутствие дополнительного переключателя КН2 и дополнение диода D1.

Благодаря  диоду D1, предотвращается обратное смещение по отношению к управляющему электроду У. Положительным полупериодом синусоидальной формы сигнала устройство смещено прямо вперёд. Однако при выключенном переключателе КН1 к тиристору подводится нулевой ток затвора и прибор остается «выключенным».

В отрицательном полупериоде устройство получает обратное смещение и также останется «выключенным», независимо от состояния переключателя КН1.

Схема 3: КН1 — переключатель с фиксацией; D1 — диод любой под высокое напряжение; R1, R2 -резисторы постоянные 180 Ом и 1 кОм, Л1 — лампа накаливания 100 Вт

Если переключатель КН1 замкнуть, вначале каждого положительного полупериода полупроводник останется полностью «выключенным». Но в результате достижения достаточного положительного триггерного напряжения (возрастания  тока управления) на электроде У, тиристор переключится в состояние «включено».

Фиксация состояния удержания остаётся стабильной при положительном полупериоде и автоматически сбрасывается, когда положительный полупериод заканчивается. Очевидный момент, учитывая падение тока анода ниже текущего значения.

На момент следующего отрицательного полупериода, устройство полностью «отключается» до прихода следующего положительного полупериода. Затем процесс вновь повторяется.

Получается, нагрузка имеет только половину доступной мощности источника питания. Тиристор действует как выпрямляющий диод и проводит переменный ток лишь во время положительных полуциклов, когда переход смещен вперед.

Тиристоры и управление половинной волной

Фазовое управление тиристором является наиболее распространенной формой управления мощностью переменного тока. Пример базовой схемы управления фазой показан ниже. Здесь напряжение затвора тиристора формируется цепочкой R1C1 через триггерный диод D1.

На момент положительного полупериода, когда переход смещен вперед, конденсатор C1 заряжается через резистор R1 от напряжения питания схемы. Управляющий электрод У активируются только тогда, когда уровень напряжения в точке «x» вызывает срабатывание диода D1.

Конденсатор C1 разряжается на управляющий электрод У, устанавливая прибор в состояние «включено». Длительность времени положительной половины цикла, когда открывается проводимость, контролируется постоянной времени цепочки R1C1, заданной переменным резистором R1.

Схема 4: КН1 — переключатель с фиксацией; R1 — переменный резистор 1 кОм; С1 — конденсатор 0,1 мкф; D1 — диод любой на высокое напряжение; Л1 — лампа накаливания 100 Вт; П — синусоида проводимости

Увеличение значения R1 приводит к задержке запускающего напряжения, подаваемого на тиристорный управляющий электрод, что, в свою очередь, вызывает отставание по времени проводимости устройства.

В результате доля полупериода, когда устройство проводит, может регулироваться в диапазоне 0 -180º. Это означает, что половинная мощность, рассеиваемая нагрузкой (лампой), поддаётся регулировке.

Существует масса способов достижения полноволнового управления тиристорами. Например, можно включить один полупроводник в схему диодного мостового выпрямителя. Этим методом легко преобразовать переменную составляющую в однонаправленный ток тиристора.

Однако более распространенным методом считается вариант использования двух тиристоров, соединенных инверсной параллелью. Самым практичным подходом видится применение одного симистора. Этот полупроводник допускает переход в обоих направлениях, что делает симисторы более пригодными для схем переключения переменного тока.

Тиристоры — полный технический расклад на видео

Видеоматериал, представленный здесь — продолжение знакомства с тиристорами непосредственно глазами. Совмещение текстовой и видео информации открывает способ лучшего понимания темы. Поэтому, рекомендовано смотреть «кино» о тиристорах:

По материалам: Electronics-tutorials

Тиристоры

1. Определение, назначение и классификации

Тиристор – полупроводниковый прибор, имеющий три и более p-n-перехода, используемый для электронного переключения. Особенность – то, что его ВАХ имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Материал – кремний. Применяется тиристор в качестве электронного ключа и используется для регулирования мощностью. Регулирование заключается как во включении и отключении мощности нагрузки, так и для изменения величины этой мощности.

В зависимости от числа выводов могут быть:

1) динистор (тиристор без токоуправления),

2) тринистор (тиристор с токоуправлением).

Каждый из этих тиристоров может быть симметричным (симистор) и несимметричным.

2. Транзисторы без токоуправления (динисторы)

Динистор имеет четырехслойную структуру, три pn перехода и два вывода: анод и катод.

При U>0 к П1 и П3 прикладывается прямое напряжение и они открыты, а к переходу П2 – прикладывается обратное – он закрыт. Ток через тиристор мал и определяется обратным током перехода П2.

Если увеличить E, то первоначально ток тиристора изменяется незначительно, но потом решающую роль начинает играть ударная ионизация. Происходит пробой перехода П2. Напряжение на тиристоре, соответствующее этому переходу называется напряжением переключения . Обратный переход начинает резко возрастать, а значит возрастает и ток. С ростом тока растет и падение напряжения , вследствие чего напряжение на тиристоре резко падает, достигая некоторого значения. В дальнейшем при росте тока под действием источника напряжения на тиристоре возрастает незначительно. Переход тиристора из состояния, когда ток через него почти не протекает (закрытое состояние) в состояние, когда ток резко возрастает (открытое состояние) происходит быстро и соответствующий ему процесс является неустойчивым.

ВАХ, описывающая работу тиристора:

I – тиристор закрыт (откл)

II – переход из закрытого в открытое состояния

III – тиристор открыт (вкл)

В исходное тиристор можно вернуть, отключив источник, то есть сделав напряжение равным нулю.

При противоположной полярности источника несимметричный динистор тока не пропускает.

3. Тринистор. Тиристор с токоуправлением

Тринистор имеет четырехслойную структуру, три p-n-перехода и три вывода: анод, катод, управляющий электрод. Управляющий электрод может подключаться к любому из средних слоев.

УЭ – управляющий электрод (управление по катоду).

Управляющий электрод предназначен для того, чтобы изменить напряжение тиристоров . При подаче управляющего тока к переходу П3 прикладывается дополнительно прямое напряжение. Ток управления добавляется к току перехода П3, а следовательно, и к току перехода П2.

Общий ток тиристора возрастает, и он переключается при меньших значениях напряжений. Изменяя величину токоуправления можно изменить напряжение переключения тиристора.

В системах управления часто используются тиристорные приводы. В этом случае тиристоры открываются по сигналу управления, который представляется в виде коротко временного импульса тока. Этим импульсом тиристор открывается, а изменение напряжения включения тиристора производится за счет изменения времени управляющего импульса. То есть управление тиристором производится не величиной тока, а временем его поступления. Такие системы регулирования называются системами импульсно-фазового управления (СИФУ).

4. Симисторы

Симистор – тиристор, который переключается из закрытого состояния в открытое как в прямом, таки в обратном направлении. Он имеет симметричную ВАХ и применяется для переключения в цепях переменного тока. Структура симистора достаточно сложная, например, симметричный динистор имеет 5 слоев и 4 перехода, симметричный тиристор – 6 и более слоев и более 5 переходов.

ВАХ симметричного динистора:

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.

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, индуктивное сопротивление 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.

Режим обратного запирания

Рассказывая о принципе работы триодного тиристора, нельзя не отметить, что оно может работать в разных режимах. При обратном запирании непосредственно к аноду полупроводника приложено отрицательное напряжение по отношению к катодному контакту. Переходы при таком варианте смещены в противоположном направлении.

Существуют факторы, ограничивающие применение подобного режима. Первый из них – это лавинный пробой, а второй – прокол обедненной области. Это объясняется тем, что существенная часть напряжения снижается на одном из переходов. Возникает их смыкание или происходит пробой.

Задержка запуска SCR тиристора

Однако мы можем отложить запуск SCR тиристора, вставив некоторое сопротивление в цепь управляющего электрода, тем самым увеличивая величину падения напряжения, требуемого перед тем, как будет достигнут достаточный ток управляющего электрода SCR тиристора. Другими словами, если мы затрудняем движение электронов через управляющий электрод путем добавления сопротивления, переменное напряжение должно будет достигнуть более высокой точки в своем цикле, прежде чем будет достигнут достаточный ток управляющего вывода, чтобы включить SCR тиристор. Результат показан на рисунке ниже.

В цепь управляющего электрода вставлено сопротивление; через нагрузку протекает меньше полуволны тока.

Когда сигнал «полусинусоиды» будет в значительной степени обрезан за счет задержки запуска SCR тиристора, нагрузка получит меньшую среднюю мощность (питание подается на меньшее время в течение всего периода). Сделав последовательный резистор в цепи управляющего электрода переменным, мы можем подстроить мощность пропорционально времени (рисунок ниже).

Увеличение сопротивления повышает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит меньшая мощность.
Уменьшение сопротивления понижает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит большая мощность.

К сожалению, эта схема управления имеет значительные ограничения. При использовании сигнала источника переменного тока в качестве сигнала, переключающего наш SCR тиристор, мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем подождать, чтобы переключить SCR тиристор после пика сигнала. Это означает, что мы можем убавить мощность только до того момента, когда SCR тиристор включится на самом пике сигнала.

Схема при установке минимальной мощности

Повышение порога срабатывания переключения приведет к тому, что схема не будет запускаться вообще, так как даже пик переменного напряжения источника питания будет недостаточным для запуска SCR тиристора. В результате питание на нагрузку подаваться не будет.

Гениальное решение этой дилеммы управления обнаруживается при добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора (рисунок ниже).

Добавление в схему фазосдвигающего конденсатора

Меньший сигнал, показанный на графике, представляет собой напряжение на конденсаторе. Для иллюстрации фазового сдвига я предполагаю условие максимального управляющего сопротивления, когда SCR не запускается вообще и не подает на нагрузку ток, за исключением того, какой небольшой ток проходит через управляющий резистор и конденсатор. Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0° до 90°, отставая от сигнала переменного тока. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, SCR тиристор отпирается.

При напряжении на конденсаторе, достаточном для периодического запуска SCR тиристора, итоговый сигнал тока нагрузки будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Сдвинутый по фазе сигнал переключает SCR тиристор в режим проводимости

Поскольку сигнал на конденсаторе всё еще растет после того, как основной сигнал от источника питания достиг своего пика, становится возможным запустить SCR тиристор на пороговом уровне за этим пиковым значением, тем самым обрезая сигнал тока нагрузки дальше, чем это было возможно с более простой схемой. В действительности сигнал напряжения конденсатора немного сложнее, чем показано здесь, его синусоидальная форма искажается каждый раз, когда открывается SCR тиристор. Однако то, что я пытаюсь проиллюстрировать здесь, – это отложенное срабатывание, связанное с фазосдвигающей RC цепью; таким образом, упрощенная, неискаженная форма сигнала хорошо служит этой цели.

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 полевым транзистором. Часто можно встретить конструкции на основе МОП-транзисторов.
  6. Оптические тиристоры, которые управляются потоками света.

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 полупроводниковым диодом.

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 %.

Что такое тиристор, его устройство и обозначение на схеме

Тиристор — полупроводниковый элемент, имеющий только два состояния: «открыто» (ток проходит) и «закрыто» (тока нет). Причем оба состояния устойчивые, то есть переход происходит только при определенных условиях. Само переключение происходит очень быстро, хоть и не мгновенно.

Так выглядят тиристоры

По способу действия его можно сравнить с переключателем или ключом. Вот только переключается тиристор при помощи напряжения, а отключается пропаданием тока или снятием нагрузки. Так что принцип работы тиристора понять несложно. Можно представлять его как ключ с электрическим управлением. Так, да не совсем.

Тиристор, как правило, имеет три выхода. Один управляющий и два, через которые протекает ток. Можно попробовать коротко описать принцип работы. При подаче напряжения на управляющий выход, коммутируется цепь через анод-коллектор. То есть, он сравним с транзистором. Только с той разницей, что у транзистора величина пропускаемого тока зависит от поданного на управляющий вывод напряжения. А тиристор либо полностью открыт, либо полностью закрыт.

Внешний вид

Внешний вид тиристора зависит от даты его производства. Элементы времен Советского Союза — металлические, в виде «летающей тарелки» с тремя выводами. Два вывода — катод и управляющий электрод — находятся на «дне» или «крышке» (это с какой стороны смотреть). Причем электрод управления меньше по размерам. Анод может находиться с противоположной стороны от катода, или торчать вбок из-под шайбы, которая есть на корпусе.

Два вида тиристоров — современные и советские, обозначение на схемах

Современные тиристоры выглядят по-другому. Это небольшой пластиковый прямоугольник с металлической пластиной сверху и тремя выводами-ножками снизу. В современном варианте есть одно неудобство: надо смотреть в описании какой из выводов анод, где катод и управляющий электрод. Как правило, первый — анод, затем катод и крайний правый — это электрод. Но это как правило, то есть, не всегда.

Принцип работы

По принципу действия, тиристор можно еще сравнить с диодом. Пропускать ток он будет в одном направлении — от анода к катоду, но происходить это будет только в состоянии «открыто». На схемах тиристор похож на диод. Также имеется анод и катод, но есть еще дополнительный элемент — управляющий электрод. Понятное дело, есть отличия и в выходном напряжении (если сравнивать с диодом).

Принцип работы тиристора в устройствах переменного напряжения: на выходе есть только верхняя часть синусоиды

В схемах переменного напряжения тиристор будет пропускать только одну полуволну — верхнюю. Когда приходит нижняя полуволна, он сбрасывается в состояние «закрыто».

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.

Основные типы тиристоров

Кроме запираемых тиристоров разработана широкая гамма тиристоров различных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Среди них следует отметить следующие типы:

  • тиристор-диод, который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодом (рис. 6.12,a);
  • диодный тиристор (динистор), переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного между А и С (рис. 6,b);
  • запираемый тиристор (рис. 6.12,c);
  • симметричный тиристор или симистор, который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);
  • быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);
  • тиристор с полевым управлением по управляющему электроду, например, на основе комбинации МОП-транзистора с тиристором;
  • оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) — симистор

Устройство и основные виды тиристоров

Рис. 1. Схемы тиристоров:

  • основная четырёхслойная p-n-p-n-структура;
  • диодный тиристор;
  • триодный тиристор

Устройство тиристоров показано на . Тиристор состоит из четырёх полупроводников (слоёв), соединённых последовательно и отличающихся типами проводимости: p‑n‑p‑n. p‑n‑переходы между проводниками на рисунке обозначены как «J1», «J2» и «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, не содержащий управляющих электродов, называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами.

Прибор, содержащий один управляющий электрод, 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. У последних ВАХ симметрична, поэтому соответствующие приборы называются симметричными. Симметричные приборы изготавливаются из пяти слоёв полупроводников. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, часто применяются их схемотехнические аналоги, в том числе и интегральные, обладающие обычно лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры не могут быть переведены в закрытое состояние (что отражено в их названии) 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.

Запуск SCR тиристоров сложными схемами

SCR тиристоры также могут быть запущены, или «отперты», более сложными схемами. Хотя ранее показанная схема достаточна для простого применения, такого как управление лампой, управление большими промышленными двигателями часто опирается на более сложные схемы запуска. Иногда для соединения схемы запуска с управляющим электродом и катодом SCR тиристора для обеспечения электрической изоляции между цепями запуска и силовыми цепями используются импульсные трансформаторы (рисунок ниже).

Трансформаторная связь сигнала переключения обеспечивает изоляцию

Когда для управления питанием используется несколько SCR тиристоров, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение единой схемы запуска ко всем SCR тиристорам одинаково. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель, показанный на рисунке ниже.

Управляемый мостовой выпрямитель

В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в этом примере выпрямительные SCR тиристоры) должны проводить ток в противоположных парах. SCR1 и SCR3 должны быть запущены одновременно, и SCR2 и SCR4 должны быть запущены как пара. Однако, как вы заметили, эти пары SCR тиристоров не используют одни и те же соединения катодов, а это означает, что схема не будет работать, если просто запараллелить их управляющие электроды и подключить к ним единый источник напряжения, чтобы запустить оба тиристора (рисунок ниже).

Эта стратегия не будет работать для запуска SCR2 и SCR4 в качестве пары

Хотя показанный источник напряжения запуска запустит SCR4, он не запустит должным образом SCR2, потому что эти два тиристора не имеют общего соединения катодов для использования его в качестве опорной точки для напряжения запуска. Однако импульсные трансформаторы, подключающие два управляющих электрода тиристоров к источнику напряжения запуска, будут работать (рисунок ниже).

Трансформаторная связь управляющих электродов позволяет запускать SCR2 и SCR4

Имейте в виду, что эта схема показывает подключение управляющих электродов только двух из четырех SCR тиристоров. Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR1 и SCR3, а также детали самих импульсных источников были опущены для простоты.

Управляемые мостовые выпрямители не ограничиваются однофазными схемами. В большинстве промышленных систем питание переменным током доступно в трехфазной форме для получения максимальной эффективности, и из-за своих преимуществ в них используются твердотельные схемы управления. Схема трехфазного управляемого выпрямителя, построенная на SCR тиристорах, не показывающая импульсных трансформаторов и схем запуска, будет выглядеть как на рисунке ниже.

Трехфазное мостовое управление нагрузкой на SCR тиристорах

Как работает тиристор

Тиристор действует как диод. 

Он состоит из двух слоев полупроводников, а именно p-типа и n-типа, расположенных между собой для образования соединения.

 Анод соединен с внешним p-слоем, катод с внешним n-слоем и затвором с внутренним p-слоем. 

Он имеет 3 соединения, а именно J1, J2, J3.

Когда анод имеет положительный потенциал относительно катода, на затвор не подается напряжение. Соединения J1, J3 смещены в прямом направлении, а J2 — в обратном. Так что никакой проводимости здесь не происходит.

Теперь, когда положительный потенциал увеличивается за пределами напряжения пробоя, происходит пробой соединения J2, и он начинает проводить ток. Как только происходит пробой, он продолжает проводить независимо от напряжения на затворе, пока потенциал на аноде не будет удален или ток через устройство не станет меньше, чем ток удержания.

Когда положительный потенциал приложен к клемме затвора по отношению к катоду, происходит пробой соединения J2. Чтобы быстро включить тиристор, необходимо выбрать соответствующее значение потенциала.

Вход действует как управляющий электрод. Когда небольшое напряжение, известное как импульс затвора, подается на его затвор, устройство переключается в состояние проводимости. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на устройстве не изменится или не будет снято.

Ток запуска затвора изменяется обратно пропорционально напряжению затвора, и для его запуска требуется минимальный заряд затвора. Таким образом, переключением тиристоров можно управлять через его импульс затвора.

Двухтранзисторная аналогия тиристора

Ток коллектора от NPN-транзистора подается непосредственно на базу PNP-транзистора, а ток коллектора PNP-транзистора подается на базу NPN-транзистора. Эти соединенные транзисторы полагаются друг на друга для проводимости.

Таким образом, для проведения одного из транзисторов требуется базовый ток. Когда анодный вывод тиристора является отрицательным по отношению к катоду, NP-переход становится смещенным вперед, а PN-переход становится обратным смещением.

Два транзисторных аналога тиристора

Здесь поток обратного тока блокируется до тех пор, пока не будет приложено напряжение пробоя. После пробивного напряжения оно начинает проводить без подачи сигнала затвора. Это одна из отрицательных характеристик тиристоров, так как она запускает проводимость при обратном разрыве напряжения.

Когда анодный вывод сделан положительным по отношению к катоду, внешние переходы смещены в прямом направлении, а центральный переход NP смещен в обратном направлении и блокирует прямой ток. Таким образом, чтобы вызвать его в проводимости, положительный ток прикладывается к базе транзисторов.

Два транзистора соединены в регенеративном контуре, и это заставляет транзистор проводить насыщение. Таким образом, можно сказать, что тиристоры блокируют ток как в направлении источника переменного тока в выключенном состоянии, так и могут включаться путем приложения положительного тока к базе транзистора.

Тиристор имеет три режима работы:

  • Блокировка вперед
  • Обратная блокировка
  • Прямая проводимость

Блокировка вперед

В этом состоянии или режиме прямая проводимость тока блокируется. Верхний диод и нижний диод смещены в прямом направлении, а соединение в центре — в обратном направлении. Таким образом, тиристор не включается, поскольку затвор не срабатывает, и через него не протекает ток.

Обратная блокировка

В этом режиме соединение анода и катода меняется на обратное, и через него по-прежнему не протекает ток. Тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, и он блокирует в обратном направлении, поэтому поток тока блокируется.

Прямая проводимость

При подаче тока на затвор срабатывает тиристор, и он начинает проводить ток. Он остается включенным до тех пор, пока прямой ток не упадет ниже порогового значения, и этого можно достичь, отключив цепь.

Вывод

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий