Назначение тиристора. Тиристоры: принцип работы, виды и применение в электронике

Что такое тиристор и как он работает. Какие бывают виды тиристоров. Где применяются тиристоры в современной электронике. Каковы основные характеристики и параметры тиристоров. Как устроены тиристорные выпрямители.

Что такое тиристор и его основные особенности

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя или более p-n-переходами, который используется в качестве электронного переключателя. Основные особенности тиристора:

• Имеет два устойчивых состояния — открытое и закрытое
• Может переключаться из закрытого состояния в открытое под действием управляющего сигнала
• Обладает вольт-амперной характеристикой с участком отрицательного дифференциального сопротивления
• Изготавливается преимущественно из кремния
• Применяется для регулирования мощности в электрических цепях

Главное отличие тиристора от транзистора — наличие четырех и более полупроводниковых слоев вместо трех. Это обеспечивает более эффективное переключение больших токов и напряжений.

Принцип работы тиристора

Как работает тиристор? Принцип действия основан на следующих процессах:

1. В закрытом состоянии средний p-n-переход тиристора заперт обратным напряжением
2. При подаче управляющего сигнала происходит инжекция носителей заряда в базовые области
3. Это приводит к лавинообразному нарастанию тока через структуру тиристора
4. Тиристор переходит в открытое состояние с малым падением напряжения
5. Для закрытия необходимо снизить ток до значения меньше тока удержания

Таким образом, тиристор управляется только на открытие, а закрывается при снижении протекающего тока. Это отличает его от полностью управляемых ключей.

Основные виды тиристоров

Существует несколько основных разновидностей тиристоров:

Динисторы

Динистор — двухэлектродный тиристор без управляющего электрода. Переключается только при достижении напряжения включения. Используется в качестве пороговых элементов.

Тринисторы

Тринистор — трехэлектродный тиристор с управляющим электродом. Позволяет управлять моментом включения подачей тока в цепь управления. Наиболее распространенный тип тиристоров.

Симисторы

Симистор — симметричный тиристор, способный проводить ток в обоих направлениях. Применяется для регулирования в цепях переменного тока.

Оптронные тиристоры

Оптронный тиристор управляется световым потоком через встроенный светодиод. Обеспечивает гальваническую развязку цепей управления и нагрузки.

Основные параметры и характеристики тиристоров

Ключевыми параметрами, определяющими свойства тиристоров, являются:

• Максимально допустимый анодный ток
• Максимальное обратное напряжение
• Напряжение включения
• Ток удержания
• Время включения и выключения
• Управляющий ток включения
• Мощность рассеяния

Эти параметры определяют область применения конкретного типа тиристора и возможность его использования в той или иной схеме.

Применение тиристоров в современной электронике

Благодаря своим уникальным свойствам тиристоры нашли широкое применение в различных областях электроники и электротехники:

• Регуляторы мощности в электроприводах
• Управляемые выпрямители большой мощности
• Устройства плавного пуска электродвигателей
• Системы бесперебойного питания
• Импульсные источники питания
• Сварочные аппараты
• Системы управления освещением
• Преобразователи частоты

Тиристоры позволяют эффективно управлять большими токами и напряжениями, что делает их незаменимыми в силовой электронике.

Тиристорные выпрямители: принцип действия и применение

Одно из важнейших применений тиристоров — управляемые выпрямители. Их основные особенности:

• Позволяют регулировать выходное напряжение
• Обеспечивают высокий КПД преобразования
• Могут работать с большими мощностями
• Имеют высокую надежность

Принцип действия тиристорного выпрямителя основан на управлении углом открытия тиристоров. Это позволяет изменять среднее значение выпрямленного напряжения.

Тиристорные выпрямители широко применяются в следующих областях:

• Электропривод постоянного тока
• Электролизные установки
• Зарядные устройства аккумуляторов
• Системы электроснабжения железных дорог
• Электротранспорт

Использование тиристоров позволяет создавать эффективные и надежные выпрямительные устройства большой мощности.

Преимущества и недостатки тиристоров

Тиристоры обладают рядом важных преимуществ:

• Высокая перегрузочная способность по току
• Малые потери в открытом состоянии
• Способность выдерживать большие обратные напряжения
• Высокая надежность и долговечность
• Простота управления

К недостаткам можно отнести:

• Управление только на включение
• Относительно низкое быстродействие
• Чувствительность к скорости нарастания напряжения

Несмотря на недостатки, уникальные свойства тиристоров обеспечивают их широкое применение в современной силовой электронике.

Перспективы развития тиристорной техники

Основные направления совершенствования тиристоров:

• Увеличение рабочих токов и напряжений
• Повышение быстродействия
• Улучшение управляемости
• Интеграция с датчиками и схемами управления
• Создание новых типов приборов на основе тиристорной структуры

Развитие технологий позволяет создавать все более совершенные тиристорные приборы, расширяя сферы их применения в современной электронике.

Тиристоры. Определение, Назначение. Классификации.

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 p—n 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:

 

5. Тиристоры Назначение и классификация

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Это определило его название – “thyra” по гречески “дверь”. Тиристор подобно двери открывается, пропуская электрический ток, и закрывается, преграждая путь току. Тиристоры используются в цепях электропитания устройств связи и энергетики, в качестве регуляторов.

Применение тиристоров на электроподвижном составе и тяговых подстанциях позволило осуществлять плавное регулирование выпрямленного тока, инвертирование тока, а также выполнять ряд других функций.

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор. К числу факторов, наиболее широко используемых для отпирания тиристоров, относится воздействие напряжением (током) или светом (фототиристоры).

По своей структуре тиристоры отличаются от биполярных транзисторов тем, что у них вместо трех – четыре (или более) полупроводниковых слоя, в которых проводимость последовательно чередуется.

Существует много разновидностей тиристоров (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Классификация тиристоров

Основными типами являются диодные и триодные тиристоры.

В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины – напряжения включения (U_вкл), являющейся параметром прибора.

В триодных тиристорах (тринисторах) управление состоянием прибора производится по цепи третьего – управляющего электрода.

Устройство тиристора с управляющим электродом показано на рис. 7.2. Тиристор имеет структуру p₁-n₁-p₂-n₂ c тремя p-n-переходами (П₁— П₃).

Рис. 7.2. Устройство тиристора с управляющим электродом

Исходным материалом для изготовления тиристора является кремниевая пластина n-типа. Сначала путем диффузии акцепторной примеси с обеих сторон создают транзисторную структуру p₁-n₁-p₂. Затем, после локальной обработки поверхности слоя p₂, вносят донорную примесь в этот слой для получения четвертого n₂-слоя.

Рассмотрим структурную схему тиристора при приложении напряжений обратной и прямой полярности и его ВАХ (рис. 7.3, 7.4).

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления I_у = 0. Обратному напряжению соответствует полярность, указанная на рис. 7.3 без скобок. При приложении обратного напряжения U_обр переходы П₁ и П₃ закрыты, П₂ – открыт. Падение напряжения на переходе П₂ мало, поэтому можно предположить, что обратное напряжение U_обр распределяется равномерно между переходами П₁ и П₃.

Рис. 7.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Рис. 7.4. Структурная схема тиристора при приложении напряжений

обратной и прямой полярности

При изготовлении тиристоров концентрация примесей в слоях p₂ и n₂ делается намного выше концентрации примесей в слоях p₁ и n₁, поэтому переход П₃ получается узким. С приложением обратного напряжения переход П₃ вступает в режим электрического пробоя при напряжении, меньшем рабочего напряжения тиристора, то есть обратное напряжение приложено по существу к переходу П₁.

Обратная ветвь ВАХ тиристора представляет собой обратную ветвь ВАХ перехода П₁ или диода (рис. 7.3). Именно на переходе П₁ решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжений (создание лавинного тиристора).

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ. При приложении прямого напряжения переходы П₁ и П₃

открыты, переход П₂ закрыт.

Рассмотрим работу тиристора при токе управления I_у = 0. Этот режим соответствует работе тиристора в режиме динистора.

Для рассмотрения принципа работы тиристора воспользуемся двухтранзисторной аналогией. На рис. 7.4 можно представить структуру p₁-n₁-p₂ в виде транзистора VT1, а структуру n₂-p₂-n₁ в виде транзистора VT2. При этом переходы П₁ и П₃ будут являться эмиттерными переходами двух транзисторов, а переход П₂ будет являться общим коллекторным переходом для обоих транзисторов. Через эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 будут протекать токи I_э1 и I_э2, а коэффициенты передачи этих токов – α₁ и α₂.

Из-за большого сопротивления перехода П₂ тиристор находится в закрытом состоянии.

Чтобы открыть тиристор необходимо сбалансировать потенциальный барьер на границе слоев n₁ и p₂. Под действием прямых напряжений через эмиттерные переходы (П₁ и П₃) происходит инжекция основных носителей заряда в соответствующие базы транзисторов n₁ и p₂. В транзисторе VT2 электроны из эмиттера (слой n₂) переходят в базу (слой p₂), где становятся неосновными носителями. Часть этих электронов рекомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор n_1, где создается избыточный отрицательный заряд. Аналогично дырки создают в слое p₂ избыточный положительный заряд.

Однако, за счет обратного напряжения на переходе П₂ в области n₁ имеется положительный заряд, а в области p₂ – отрицательный, образующие потенциальный барьер. Избыточные электроны в слое n₁ и дырки в слое p₂, накапливаясь, создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер. Чем больше напряжение U_пр, тем больше это поле, и в результате оно может полностью компенсировать потенциальный барьер, при этом U_пр достигнет значения напряжения включения U_вкл. Ток тиристора резко возрастет, тиристор откроется, его ВАХ будет идентична ВАХ диода. Сопротивление перехода П₂ станет незначительным (как у переходов П₁ и П₃). На рис. 7.3 значение напряжения включения U_вкл соответствует значению в точке а.

Процесс скачкообразного переключения тиристора из закрытого состояния в открытое можно еще весьма просто объяснить математически.

Коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 определяются следующим образом:

I_к1 = ₁I_э1;

I_к2 = ₂I_э2. (7.1)

Через коллекторный переход течет еще обратный ток этого перехода – I_ко – тепловой ток. Таким образом, результирующий ток коллекторного перехода будет равен:

I_кол = I_к1 + I_к2 + I_ко = ₁I_э1 + ₂I_э2 + I_ко. (7.2)

Все переходы в тиристоре соединены последовательно и тиристор имеет два силовых вывода, поэтому результирующий ток будет равен:

I_А = I_к = I_э1 = I_э2. (7.3)

Из выражения (7.2) с учетом (7.3) можно определить ток анода:

. (7.4)

При малых токах ₁ и ₂ значительно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответствии с выражением (7.4) ток I_А получается сравнительно небольшим. С увеличением тока ₁ и ₂ растут, и это приводит к возрастанию тока I_А. При некотором токе, являющимся током включения I_вкл, сумма ₁ + ₂ становится равной единице и ток I_А возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки R_н (участок б-в на рис. 7.3). Именно такое стремление тока I_А неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, то есть на отпирание тиристора.

При отсутствии тока управления I_у тиристор будет всегда открываться при напряжении включения U_вкл (точка а на рис. 7.3), но он неуправляем, т.е. работает в режиме динистора.

В ряде случаев динистор используется в электрических цепях в качестве разрядника, например для защиты вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов электроподвижного состава. Работа его заключается в следующем: при возникновении перенапряжения и соответствующем пробое динистора вентильная обмотка преобразовательного трансформатора закорачивается, но аварийное перенапряжение при этом не пропускается на нагрузку.

Недостатком динисторов является большое значение напряжения включения U_вкл при протекании больших токов.

Создав третий электрод можно управлять моментом открытия тиристора. Такой тиристор (трехэлектродный) называется тринистором.

С увеличением напряжения управления + U_упр возрастает значение тока управления I_у. Ток управления приводит к движению электронов из области n₂ в область p₂. Для области p₂ электроны – неосновные носители заряда, для них поле перехода П₂ действует втягивающее (экстракция). Эти электроны усиливают компенсацию объемного положительного заряда и тиристор открывается при значении прямого напряжения U_пр меньшем, чем значение напряжения включения U_вкл. У тиристора растет значение ₂, сумма ₁ + ₂ стремится к единице при напряжении U_пр < U_вкл. Значения тока I_у – единицы миллиампер, при этом значения тока I_А достигает десятков и сотен ампер. На рис. 7.3 точки г, д, е, ж соответствуют различным сочетаниям значений U_вкл и I_у (U_вкл1 и I_у1; U_вкл2 и I_у2 и т.д.). Существует значение тока управления, при котором тиристор открывается сразу – ток управления спрямления. При этом ВАХ тиристора вырождается в ВАХ диода.

Тиристор – частично управляемый вентиль, так как можно управлять только моментом его открытия, тиристор не может закрыться при уменьшении I_у, а закроется при условии, что ток анода I_А будет меньше тока удержания I_уд.

Выпрямители с тиристорным управлением

Зачем использовать тиристоры в выпрямителях большой мощности?

Сети электросетей поставляют электроэнергию в виде переменного тока (переменного тока), но для некоторых ключевых применений, таких как зарядка аккумуляторов электромобилей и системы легкорельсового транспорта, для экономичной и эффективной работы требуется постоянный ток (постоянный ток). Например, стандартные системы напряжения постоянного тока Rail работают по всей Европе с номинальным напряжением 600 В, 750 В, 1500 В и 3000 В, но сеть электропитания обеспечивает гораздо более высокое напряжение переменного тока. Путевое оборудование используется для преобразования переменного тока в постоянный ток с помощью трансформаторов и выпрямителей. В более общем случае некоторым приложениям потребуется просто обеспечить постоянный источник постоянного тока, в то время как другим может потребоваться управление, чтобы приспособить выход к колебаниям спроса. Эта потребность в управлении является основной причиной использования тиристоров в схемах выпрямителей.

Что такое управляемый выпрямитель?

Переменный ток, как следует из его названия, означает, что ток течет в обоих направлениях в течение одного цикла. В своей простейшей форме схема однофазного выпрямителя состоит из одного, двух или четырех диодов, расположенных таким образом, чтобы ток протекал в одном направлении.

Рис. 1. Схемы одно-, двух- и четырехдиодного выпрямителя – однофазные и связанные с ними формы волны.

Тиристор — это полупроводниковый прибор, который можно использовать для включения и выключения тока. При использовании в схемах выпрямителя тиристоры позволяют контролировать ток более точно, чем диоды, которые могут быть только в положении ВКЛ или ВЫКЛ. Тиристор можно запустить, чтобы позволить току проходить градуированным образом, путем срабатывания (включения тиристора) в точное время, тем самым контролируя угол проводимости. Уровень управления, необходимый для данного приложения, будет определять, как тиристоры используются в схеме. Полууправляемые выпрямители используют тиристоры вместо диодов как на положительной, так и на отрицательной стороне цепи, тогда как полностью управляемый выпрямитель полностью использует тиристоры.

Рис. 2. Цепи положительного полууправления и полностью управляемого выпрямителя – однофазные.

Цепи многофазных выпрямителей

Многофазные входы переменного тока выпрямляются с помощью диодов на каждой фазе. Как и в случае с однофазными источниками питания, эти выпрямители могут быть неуправляемыми (только диоды), полууправляемыми или полностью управляемыми с помощью тиристоров.

Рис. 3. Схема полностью управляемого выпрямителя – трехфазная и шестифазная.

Выпрямители с тиристорным управлением в системах

Основные компоненты выпрямителя преобразуют переменный ток в постоянный, но выходной сигнал должен подаваться в систему надлежащим образом защищенным способом. Это включает в себя блокировку любого нежелательного шума или скачков напряжения, которые могут быть вызваны линией переменного тока или во время выпрямления источника питания. Полупроводники, используемые в этих приложениях, обычно очень надежны, но обычно их защищают с помощью быстродействующих предохранителей, специально разработанных для этой цели. В случае неисправности, ведущей к перегреву, в узлы встроены термостатические расцепители, а для уменьшения скачков напряжения на тиристорах включены демпфирующие цепи.

Рис. 4. Типовая конфигурация сборки выпрямителя с тиристорным управлением.

Все вместе – построение выпрямителя с тиристорным управлением

Проектирование выпрямителя с правильной конфигурацией, выбор оптимальных полупроводников, предохранителей, расцепителей и устройств защиты от перенапряжения идет рука об руку с тепловым управлением системы в целом . Каковы потери тиристоров при рабочей температуре? Сколько тепла будет рассеиваться и насколько большим должен быть радиатор? Требуется ли принудительная конвекция воздуха через вентиляторы на сборке? Где находится оборудование? Какие отраслевые стандарты и соответствия необходимо учитывать?

Компания Power Products International имеет более чем 30-летний опыт разработки и производства этого типа продукции, поэтому, если вам требуется надежное и надежное выпрямительное оборудование, свяжитесь с нами, чтобы обсудить, как это реализовать.

Тиристоры в полупроводниках.

1

2N2325A HT чувствительный затвор
Номер детали: 2N2325A
Производитель: HT
Тедсс Идентификатор: 2028026805
Ht 2N2325A Чувствительный затвор. 150В 600мВт. 3 золотых провода.

4,65 доллара США
$3,82 — 100 шт.
посмотреть еще

2

Кремниевый выпрямитель 2N2326A HT
Номер детали: 2N2326A
Производитель: HT
Тедсс Идентификатор: 2028026800
HT 2N2326A Выпрямитель с кремниевым управлением. 200В. 3 золотых провода.

$12.00
$4,99 — 25 шт.
посмотреть еще

3

Кремниевый выпрямитель 2N2328 HT
Номер детали: 2N2328
Производитель: HT
Тедсс Идентификатор: 2028026797
HT 2N2328 Силиконовый управляемый выпрямитель. 3 золотых провода. Тип корпуса ТО-5.

$3,99
посмотреть еще

4

2N2328A HT Кремниевый управляемый выпрямитель
Номер детали: 2N2328A
Производитель: HT
Тедсс Идентификатор: 2028026806
HT 2N2328A Выпрямитель с кремниевым управлением. 300В 600мВт. 3 золотых провода.

10,20 $
$4,99 — 10 шт.
$3,97 — 50 шт.
посмотреть еще

5

2N6404 на полупроводниковом тиристоре
Номер детали: 2N6404
Производитель: О полупроводниках
Тедсс Идентификатор: 2028021025
ТИРИСТОР SCR, 16А, 600В, ТО-220АВ.

1,00 долл. США
0,72 $ — 100 шт.
посмотреть еще

6

2N685 RCA общего назначения
Номер детали: 2N685
Производитель: RCA
Тедсс Идентификатор: 2028023090
RCA 2N685 Тиристор общего назначения. Монтажная шпилька. Тип корпуса ТО-48.

10,75 $
$5,65 — 10 шт.
посмотреть еще

7

2Н686 ОБЩИЙ ПРИБОР-
Номер детали: 2N686
Производитель: GENERAL INSTRUMENT
Тедсс Идентификатор: 2028031915
General Instrument 2N686 Тиристорный полупроводник. Стад Маунт. Тип корпуса ТО-48.