Однооперационный тиристор. Однооперационные тиристоры: принцип работы, характеристики и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое однооперационный тиристор. Как устроен и работает однооперационный тиристор. Какие основные характеристики имеет однооперационный тиристор. Где применяются однооперационные тиристоры.

Содержание

Что такое однооперационный тиристор

Однооперационный тиристор (SCR — Silicon Controlled Rectifier) — это полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой p-n-p-n, имеющий три вывода: анод, катод и управляющий электрод. Основные особенности однооперационного тиристора:

Имеет два устойчивых состояния — закрытое (высокое сопротивление) и открытое (низкое сопротивление)
Может переключаться из закрытого состояния в открытое подачей управляющего сигнала на затвор
После открытия остается в проводящем состоянии даже при снятии управляющего сигнала
Закрывается только при уменьшении анодного тока ниже тока удержания

Таким образом, однооперационный тиристор можно рассматривать как управляемый вентиль, способный пропускать большие токи и блокировать высокие напряжения.

Структура и принцип действия однооперационного тиристора

Структура однооперационного тиристора представляет собой четыре чередующихся слоя полупроводника p- и n-типа:

p-слой, соединенный с анодом
n-слой
p-слой, к которому подключен управляющий электрод
n-слой, соединенный с катодом

Между этими слоями образуются три p-n перехода. В закрытом состоянии средний переход смещен в обратном направлении и блокирует протекание тока. При подаче положительного импульса на управляющий электрод инжектируются носители заряда, которые вызывают лавинообразный процесс генерации носителей во всех слоях. В результате тиристор переходит в открытое состояние с низким сопротивлением.

Вольт-амперная характеристика однооперационного тиристора

Вольт-амперная характеристика однооперационного тиристора имеет S-образную форму и включает следующие участки:

Участок обратного запирания при отрицательном анодном напряжении

Участок прямого запирания при небольшом положительном анодном напряжении
Участок лавинного пробоя при достижении напряжения включения
Участок прямой проводимости в открытом состоянии

Ключевыми параметрами ВАХ являются:

Напряжение включения — напряжение, при котором происходит самопроизвольное открытие тиристора
Ток удержания — минимальный анодный ток, при котором тиристор остается открытым
Остаточное напряжение — падение напряжения на открытом тиристоре

Основные параметры и характеристики однооперационных тиристоров

Важнейшими параметрами однооперационных тиристоров являются:

Максимальное допустимое постоянное и импульсное анодное напряжение
Максимальный допустимый средний и действующий анодный ток
Ток управления (минимальный ток затвора для включения)

Время включения и выключения
Критическая скорость нарастания анодного тока и напряжения
Температурные и частотные свойства

Эти параметры определяют область применения конкретных типов тиристоров в силовой электронике.

Способы включения и выключения однооперационных тиристоров

Существует несколько способов включения однооперационного тиристора:

Подача импульса тока в цепь управляющего электрода
Превышение напряжения включения между анодом и катодом
Быстрое нарастание анодного напряжения (dU/dt эффект)
Воздействие светового излучения на структуру (в фототиристорах)

Выключение однооперационного тиристора возможно следующими способами:

Уменьшение анодного тока ниже тока удержания
Приложение обратного напряжения между анодом и катодом
Принудительная коммутация с помощью дополнительных цепей

Выбор способа выключения зависит от конкретной схемы применения тиристора.

Области применения однооперационных тиристоров

Благодаря способности коммутировать большие токи и напряжения однооперационные тиристоры широко применяются в силовой электронике:

Управляемые выпрямители переменного тока
Регуляторы переменного напряжения
Устройства плавного пуска электродвигателей
Импульсные источники питания
Сварочные аппараты
Системы управления электроприводом
Коммутационная аппаратура

Однооперационные тиристоры позволяют создавать эффективные силовые преобразователи с высоким КПД.

Преимущества и недостатки однооперационных тиристоров

К основным достоинствам однооперационных тиристоров можно отнести:

Способность коммутировать большие токи и напряжения
Высокий КПД в открытом состоянии
Высокая перегрузочная способность
Простота управления
Низкая стоимость

Недостатками являются:

Низкое быстродействие
Сложность выключения
Чувствительность к dU/dt и di/dt
Необходимость схем принудительной коммутации в инверторах

Несмотря на недостатки, однооперационные тиристоры остаются востребованными приборами силовой электроники.

Заключение

Однооперационные тиристоры являются ключевыми элементами современной силовой электроники. Их способность управляемо коммутировать большие мощности делает их незаменимыми во многих преобразователях электрической энергии. Хотя в ряде применений тиристоры вытесняются полностью управляемыми ключами, они сохраняют свои позиции в мощных низкочастотных устройствах благодаря высокой перегрузочной способности и низкой стоимости. Дальнейшее совершенствование характеристик однооперационных тиристоров позволит расширить сферы их применения.

Однооперационные тиристоры

Главная | Обратная связь

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 36Следующая ⇒

Рис. 1.26. Вольтамперная характеристика тиристора

Анализируя вольтамперную характеристику можно отметить, что при включении тиристора в электрическую цепь, но при отсутствии управляющего сигнала ток в цепи

не будет протекать. Это можно видеть на характеристике (участок I), где сопротивление весьма велико. При подаче управляющего сигнала ток будет протекать в цепи, т.е. тиристор по характеристике переходит на участок ІІ. Учитывая, что внутреннее сопротивление тиристора мало, ток в цепи будет определяться сопротивлением

нагрузки (R_н), т.е. I_a=E_a/R_н.

Существует способ, когда нет необходимости подавать управляющий сигнал, это при Е

а>U_вкл. В этом случае рабочая точка с I на II, минуя участок III. Однако такое включение недопустимо для большинства тиристоров.

Особенностью тиристора является то, что при включении управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя, он сохраняет открытое состояние .

Выключение тиристора возможно:

· снижением анодного напряжения до нуля и подачей отрицательного напряжения (U_а 0)

· прерывание анодного тока.

В тиристорах, у которых управляющий электрод имеет одну структуру, т.е. на включение тиристора называется однооперационным.

Теперь рассмотрим основные параметры и разновидности тиристоров

Такими параметрами для тиристоров являются:

· -напряжение включения (U_вкл), напряжение загиба (U_заг).

Если напряжение питания любой полярности меньше, чем указанное напряжение, то при I_упр=0 тиристор закрыт. Условие этого положения – прямые и обратные показания не должны превышать повторяющиеся импульсы напряжений, которые считают 0.7 наименьшего из указанных напряжений, (величина даётся в справочниках).

Кроме того, в справочниках даются следующие параметры:

· Мах допустимый средний прямой ток,

· Импульсное прямое напряжение,

· Мах обратный ток.

Также дано значение тока удержания (I_уд), т.е. такое значение тока анода меньше, которого тиристор самопроизвольно закрывается.

Ток управления и напряжение управления это параметры, при которых тиристор надежно открыт. Это статические параметры тиристора. Однако при выборе тиристора необходимо знать ряд динамических параметров:

· критическая скорость нарастания анодного тока.

· время включения — это временной интервал, спустя который после прекращения протекания тока к тиристору может быть приложено прямое напряжение и не произойдет его повторное включение. .

Тиристоры могут быть:

Динистор

Структурную схему динистора можно представить ввиде двух транзисторов. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго является током базы первого.Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есто положительная обратная связь. Это приводит к тому, что когда коллекторный ток первого транзистора, протекая по базе второго трпнзистора, открывает его, а последний, в свою очередь, увеличивает ток базы первого транзистора. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавиннообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения.

Схема включения динистора. Один из вариантов выключения динистора

Симистор

Симистор – это симметричный тиристор, предназначенный для коммутации в цепях переменного тока. Он может быть использован для создания реверсивных выпрмителей или регуляторов переменного тока.

Схематическое изображение и вольт-амперная характеристика симистора приведены на рис.

Кака видно из вольт-амперной характеристики симистор включается в любом направлении при подачи положительного управляющего сигнала на УЭ.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Лекция 12 Тиристоры

Тиристор это полупроводниковый прибор, который состоит из трих или более электронно-дырочных переходов и может находиться в одном из двух состояний: высокой проводимости (тиристор открыт) и низкой проводимости (тиристор закрыт). В открытом состоянии тиристор эквивалентен замкнутому электрическому контакту, в закрытом состоянии – разомкнутому контакту. В иностранной литературе они называются Silicon Controlled Rectifier (SCR).

Существует несколько разновидностей тиристоров, отличающиеся способом управления. Их условные графические обозначения приведены на рисунке 12.1..

Диодный тиристор (динистор) (рисунок 12.1,а) имеет два вывода: анод и катод. Включение и выключение динистора производится по анодной цепи. Для включения динистора необходимо, чтобы анодное напряжение было больше некоторого напряжения переключения (), а выключение происходит при анодном напряжении меньшем или равным нулю ().

Рисунок 12.1 -Условные графические обозначения тиристоров.

а – диодный тиристор, b –триодный тиристор однооперационный,

с — триодный тиристор двухоперационный.

Триодный тиристор(тринистор) (рисунок 12.1,bиc) отличается от динистора наличием третьего вывода. Этот вывод называется управляющим электродом. Существует две разновидности тиристоров: однооперационные тиристоры (рисунок 12.1,b) и двухоперационные тиристоры (рисунок 12.1,c).

Однооперационные тринисторы открываются по управляющему электроду. Условия открытия тиристора: анодное напряжение положительное () и наличие короткого импульса, тока втекающего в управляющий электрод (). Закрывается однооперационный тиристор по аноду; выключение происходит при анодном напряжении меньшем или равным нулю ().

Двухоперационные тиристоры открываются и закрываются по управляющему электроду. Условия открытия тиристора: анодное напряжение положительное () и наличие короткого импульса тока втекающего в управляющий электрод (). Закрывается двухоперационный тиристор по управляющему электроду; выключение происходит коротким импульсом тока, вытекающего из управляющего электрода (). Выключение происходит также при анодном напряжении меньшем или равным нулю ().

Фототиристор. В отличие от обычного тиристора, фототиристор имеет в корпусе окно для прохождения света. Тиристор можно открывать, воздействуя импульсом светового потока. Существуют фотодинисторы (рисунок 12.2,а) и фототринисторы (рисунок 12.1,b), в последнем случае открытие тиристора возможно подачей электрического сигнала на управляющий электрод.

Рисунок 12.2 — Условно графические обозначения.

а– фотодинистор, b– фототринистор,с– симметричный динистор (диак).

d– Симметричный тринистор (триак),е– тиристорная оптопара с фототиристором,f – тиристорная оптопара с фотосимистором

Симистор. Симметричные тиристоры способны пропускать электрический ток в двух направлениях, предназначены для работы в цепях переменного тока. Симистор можно представить в виде двух обычных тиристоров, включенных встречно-параллельно. Симисторы могут быть диодными (рисунок 12.2,с) и триодными (рисунок 12.2,d). В зарубежной литературе они называются соответственнодиак итриак.

Тиристорная оптопара.Тиристорная оптопара состоит из излучателя, обычно это светодиод или светодинистор и приемника — это фототиристор (рисунок 12.2,е) или фотосимистор (рисунок 12.2,f). Управление посредством светового потока позволяет осуществить гальваническую развязку низковольтной цепи управления с высоковольтной коммутируемой цепью.

Как работает выпрямитель с кремниевым управлением?

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) представляет собой четырехслойное силовое полупроводниковое устройство. Термин «выпрямитель с кремниевым управлением» был придуман General Electric, когда тиристоры были впервые представлены в 1957 году. Как и выпрямители, тиристоры являются однонаправленными устройствами. Сегодня SCR признаны типом тиристора. Другие типы тиристоров, например симисторы, по своей природе являются двунаправленными. В этом разделе часто задаваемых вопросов рассматривается базовая работа тиристора и режимы работы тиристора, а в заключение приводится обзор некоторых передовых методов цифрового управления мощностью, применяемых к силовым преобразователям тиристора.

В качестве базового тиристора SCR можно рассматривать на двух биполярных транзисторах (один NPN и один PNP), где один из транзисторов служит управляющим (затворным) соединением, а второй транзистор обеспечивает катодные и анодные соединения для протекания тока (Рисунок 1) . Для базовых SCR затвор подключается к базе NPN-транзистора. В результате он запускается положительным током затвора от G до K. Как только ток затвора подается на устройство NPN, оно потребляет ток коллектора, усиленный β _NPN , усиление тока NPN (I _C1 = β _NPN x I _B ), и ток коллектора отводится от базы PNP. В свою очередь, базовый ток PNP усиливается усилением тока PNP (β _PNP ). Это приводит к регенеративному состоянию, и SCR фиксируется, когда продукт β _NPN x β _PNP достигает единицы. Когда это произойдет, привод ворот можно снять. Минимальный анодный ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии, называется током фиксации, I _л . Прибор отключается, когда анодный ток падает ниже I _L .

Рис. 1: Схематическое обозначение SCR (слева), структура кремния (в центре) и упрощенная эквивалентная схема (справа). (Изображение: STMicroelectronics)

Преимущества использования тиристоров включают:

Симметричное выдерживаемое напряжение позволяет тиристорам работать в приложениях с переменным напряжением без последовательного добавления диода
Высокая допустимая перегрузка по току обеспечивает надежную работу там, где могут ожидаться большие скачки тока, например, в устройствах защиты от перенапряжения, в цепях разряда конденсаторов и в устройствах управления двигателем
Управление током затвора позволяет использовать простую схему запуска без сложного источника питания.
Способность оставаться зафиксированной даже после того, как сигнал управления воротами был снят
Отключение при нулевом токе, что полезно в диммерах и инверторах с фазовым управлением, которые выигрывают от операции переключения при нулевом токе
Защита от перенапряжения с защитой от перенапряжения

Режимы работы тиристоров

Тиристоры имеют три режима работы (рисунок 2):

Блокировка реверса (состояние выкл.)
Блокировка в прямом направлении (отключенное состояние)
Прямая проводимость (в состоянии)

Рис. 2: Характеристическая кривая SCR, показывающая два выключенных состояния (блокировка обратного и прямого хода) и включенное состояние. (Изображение: Википедия)

Обратная блокировка

Обратная блокировка происходит, когда к катоду приложено положительное напряжение, а к аноду — отрицательное. SCR ведет себя как два последовательно соединенных диода с небольшим током утечки. Если обратное напряжение возрастает до критического уровня, обратное напряжение пробоя (V _BR ), происходит лавина, и обратный ток быстро нарастает в области обратной лавины.

SCR доступны с расширенной возможностью обратной блокировки. Они имеют большее падение напряжения в прямом направлении, но номинальное напряжение блокировки в прямом и обратном направлении, как правило, одинаково. Тиристор, который не может блокировать обратное напряжение, называется асимметричным тиристором, ASCR, и имеет номинал обратного пробоя в несколько десятков вольт. ASCR используются в приложениях, где обратное напряжение не может возникнуть, например, в импульсных источниках питания или в сочетании с параллельным диодом с обратной проводимостью.

Прямая блокировка

Прямая блокировка возникает, когда к аноду приложено положительное напряжение, а к катоду — отрицательное напряжение, а затвор находится под нулевым потенциалом. Протекает только небольшой ток утечки. Когда приложенное напряжение достигает уровня пробоя, происходит лавинный пробой, и тринистор начинает проводить.

Прямая проводимость

Существует два способа включения SCR. Как отмечалось выше, тиристор начнет проводить ток, если приложенное напряжение достигнет уровня пробоя. В качестве альтернативы, подача положительного импульса на затвор включит устройство. Как только SCR начинает проводить ток, напряжение затвора может быть снято, и устройство останется во включенном состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через устройство, не упадет ниже I _л . Кроме выключения при падении тока ниже I _L , тиристор можно выключить кратковременным КЗ между анодом и катодом при выключенном затворе.

Тиристоры с обратной проводимостью

Асимметричные тиристоры могут быть изготовлены путем совместной упаковки тиристора и диода с обратной проводимостью. Эта структура называется тиристором с обратной проводимостью, RCT. Обратный диод предотвращает блокировку тиристором обратных напряжений. RCT используются в приложениях, которые выигрывают от наличия обратного диода свободного хода, таких как инверторы или преобразователи частоты. Поскольку SCR и диод никогда не проводят ток одновременно, они не выделяют тепло одновременно, что снижает накопление тепла и упрощает управление температурным режимом.

Цифровое управление для SCR

Режим фазового угла часто используется в приложениях SCR, таких как отопление и освещение, из-за его способности точно подавать определенное количество энергии. При использовании управления фазовым углом возникает низкий коэффициент мощности и высокие уровни гармоник, что делает его непригодным для многих приложений. Современные цифровые контроллеры для тиристоров могут предлагать несколько альтернативных режимов работы (рис. 3):

Режим пересечения нуля (ТАКТ) — это двухполупериодный режим переключения, не создающий гармоник. Этот режим также может управлять нагрузками с трансформаторной связью при минимальных пусковых токах.
Управление последовательностью изменения напряжения (VSC) может обеспечить быстрое реагирование, высокую динамику управления и высокое разрешение управления за цикл, как и режим фазового угла, но без генерации гармоник и шума.
Режим перехода напряжения (VT) сочетает в себе пересечение нуля и срабатывание фазового угла и часто используется для приложений, которые не связаны с трансформатором. Режим VT сочетает в себе преимущества режимов TAKT и фазового угла.

Рис. 3. Усовершенствованные режимы цифрового управления, такие как TAKT, VSC и VT, могут использоваться для значительного снижения коэффициента нелинейных искажений в силовых цепях SCR. (Изображение: передовая энергия)

Дополнительные режимы цифрового управления были разработаны для конкретных приложений. Например, режим MoSi был разработан для нагревательных элементов на основе дисилицида молибдена (MoSi) с очень низкой морозостойкостью и высокой тепловой инерцией. Контроллер MoSi можно использовать в системах отопления с высоким отношением сопротивления горячему/холодному, чтобы быстро нарастать до заданной температуры в режиме фазового угла, а затем автоматически переключаться в режим пересечения нуля для поддержания температуры.

Резюме

Тиристор — это четырехслойный силовой полупроводниковый прибор, также известный как тиристор. Он состоит из одного биполярного транзистора NPN и одного биполярного транзистора PNP, объединенных в единую структуру, где один из транзисторов служит управляющим (затворным) соединением, а второй транзистор обеспечивает соединения катода и анода для протекания тока. Характеристическая кривая SCR включает два выключенных состояния и одно включенное состояние. SCR — это зрелая технология, но передовые методы цифрового управления позволяют использовать их в ряде сложных приложений.

Справочные материалы

Основы структуры тиристора (SCR) и его применения, STMicroelectronics
Выпрямитель с кремниевым управлением, Wikipedia

Кремниевый тиристор выпрямителя, конструкция, смещение, работа, запуск

Содержание

Кремниевый тиристор выпрямителя, введение:

Как следует из названия, кремниевый выпрямитель (SCR) изготовлен из кремниевого материала. Это управляемый выпрямитель (т. е. в основном управляемый выпрямитель — это тот, с которым используется управляющий элемент), проводимость которого можно легко запустить или также легко контролировать. Это важный член семейства тиристоров. Кремниевый управляемый выпрямитель SCR представляет собой устройство, состоящее из 4 слоев и трех выводов. Фактически он состоит из трех диодов, соединенных встречно. Вместе с ним устанавливается шлюзовое соединение. Он широко используется в качестве переключающего устройства для управления мощностью. Он может включать или выключать ток нагрузки несколько тысяч раз в секунду посредством переключения. Его можно включить для подачи надлежащей мощности на нагрузку в разные периоды времени. Таким образом, это устройство, которое сочетает в себе преимущества реостата и переключателя. Он был изобретен в 1957.

Возможны два режима работы SCR. В выключенном состоянии он работает как типичная разомкнутая цепь между анодом и катодом. В такой ситуации он оказывает сильное сопротивление. Во включенном состоянии он работает как идеальное короткое замыкание между анодом и катодом. В такой ситуации он оказывает очень небольшое прямое сопротивление. Кремниевый управляемый выпрямитель SCR в основном используется в контроллерах двигателей, схемах задержки времени, контроллерах нагревателей, релейных контроллерах и т. д.

По сравнению с другими твердотельными устройствами, он имеет более длительный срок службы, энергоэффективен и имеет небольшие размеры. Они имеют очень высокую скорость переключения и имеют тенденцию немедленно проводить ток (т. е. им не требуется какое-либо время для нагрева). У них нет никакого мобильного компонента (т.е. они статичны). Они физически прочны, имеют более высокую эффективность, устойчивы к рывкам и толчкам. Они могут быть запечатаны и довольно легкие по весу. Они могут пропускать вкл/выкл максимальный ток. Для покрытия промышленных, коммерческих, а также военных потребностей они доступны в различных размерах, формах, конструкциях, диапазонах и рейтингах.

Конструкция

Кремниевый выпрямитель представляет собой четырехслойное устройство, состоящее из трех клемм и трех переходов. Эти три вывода называются анодом, катодом и затвором, а три перехода — J1, J2 и J3 соответственно. На рисунке 6.5 показаны конструкция и символ SCR. Его затворный терминал связан с P-областью ближе к катоду. Этот вывод затвора иногда также называют катодным затвором, чтобы можно было четко различать затвор и затвор SCR, используемые в других 4-слойных устройствах. Функция затвора заключается в управлении выпрямлением кремниевого выпрямителя SCR.

Рисунок 6.5 – Конструкция тиристора

Рисунок 6.5

Так как они могут проводить/пропускать максимальный ток, поэтому площадь соединения тиристора довольно большая. Как правило, используются узлы с креплением на шпильках. Потому что его анод прикреплен непосредственно к шпильке для эффективного отвода тепла. Однако большие блоки относятся к типу подушек, в которых несколько блоков размещаются последовательно друг над другом и на которые с помощью давления монтируется зажим.

На рис. 6.6 – поперечное сечение типичной таблетки SCR

Рисунок 6.6

Эквивалентная схема SCR

Для понимания работы кремниевого управляемого выпрямителя SCR его конструкцию также можно назвать набором из двух транзисторов. Один из этих транзисторов — PNP, тогда как другой — NPN (другими словами, если предполагается разделить четыре слоя SCR на две равные части, один из них преобразуется в SCR, а другой — в транзистор), как показано на рис. 6.7. . в этой серии N является базой верхнего транзистора, а коллектором нижнего транзистора. При этом база нижнего транзистора — Р, а эта база — коллектор верхнего транзистора. На рис. 6.8 изображена эквивалентная схема SCR, состоящая из двух транзисторов.

Рисунок 6.7 – Кремниевый управляемый выпрямитель

Рисунок 6.8 – Транзистор в виде принципиальной схемы

Рисунок 6.7, Рисунок 6.8

Для дальнейшего уточнения SCR был разделен на два равных транзистора, как показано на рисунке 6.9. на этой диаграмме транзистор PNP обозначен как Q ₁ , а транзистор NPN — как Q ₂ . Эта схема работает так же, как 4-слойный диод, за исключением того, что вывод затвора выполнен вдоль базы нижних транзисторов NPN. Если затвор не используется (или когда затвор представляет собой разомкнутую цепь), SCR работает точно так же, как четырехслойный диод. Однако вместо повышения напряжения между анодом и катодом тиристора устройство можно включить через затвор. Рисунок 6.9(b) четко показывает, что

i) Q ₁ ток коллектора в Q ₂ ток базы

ii) Q ₁ ток базы в Q ₂ ток коллектора.

Рисунок 6.9

Смещение

Если анод тиристора соединен с плюсовой клеммой батареи, а катод с отрицательной клеммой батареи (как показано на рис. 6.10 «а»), то J ₁ и J ₃ переходы смещаются в прямом направлении, тогда как J ₂ соединение получает обратное смещение. Таким образом, при таком типе смещения протекания тока через тринистор не происходит (за исключением тока утечки). И наоборот, если анод SCR соединен с минусовой клеммой батареи, а катод с положительной клеммой батареи (как показано на рисунке b), то переходы J ₁ и J ₃ становятся смещенными в обратном направлении, а переход J ₂ становится смещенным вперед. В результате ток через тринистор опять же не проходит (вот в такой ситуации тринистор вообще не проводит)

Предположим, что параллельно клеммам A и C тиристора подается такое большое количество питающих напряжений, что переход J ₂ с обратным смещением начинает пробиваться. Затем ток, проходящий через устройство, начинает увеличиваться. Это означает, что начался рост I _E1 (эмиттер первых транзисторов). Затем

1). С увеличением I _E1, I _C1 также увеличивается (напомним, что I _C =αI _E )

2). Как значение I _C1 равно I _B2 (т. е. I _C1 = I _B2 ), следовательно, I _B2 увеличивается с увеличением I _C1.

3). Таким образом, I _C3 также начинает увеличиваться (помните, что I _C =βI _B )

4). Мы знаем, что I _C2= I _B2 , поэтому I _B1 также увеличивается.

5). Следовательно, C ₁ и I _E1 увеличиваются.

Таким образом, происходит регенеративное действие, благодаря которому начальное увеличение тока порождает дальнейшее увеличение тока, и его значение достигает максимума довольно резко, что ограничивается приложением внешнего сопротивления. Оба транзистора полностью откроются, и значение напряжения, параллельного обоим транзисторам, станет минимальным. Конкретное время, необходимое для включения SCR, составляет от 0,1 до 1,0 микросекунды.

Эксплуатация

Мы знаем, что анод кремниевого управляемого выпрямителя SCR соединен с положительной клеммой батареи, а катод — с отрицательной клеммой батареи (как показано на рис. 6.10 а). таким образом, через него не проходит ток из-за того, что переход тринистора J ₂ смещен в обратном направлении. Однако, если анодное напряжение увеличивается до определенного критического значения, пробой перехода J ₂ и ситуация высокой проводимости внезапно возобладают над SCR (т.е. он начинает работать/проводить сразу с пробоем J ₂ ). Критические напряжения, подаваемые на анод, на котором пробивается переход J ₂, называются прямыми перенапряжениями пробоя (V _BO ) (рисунок 6.11). В такой ситуации SCR оказывает очень небольшое прямое сопротивление (значение которого находится в диапазоне от 0,1 до 1,0 Ом). Таким образом, на нем возникает очень небольшое падение напряжения (около 1 вольта), а протекание большого тока внутри тиристора регулируется за счет источника питания и сопротивления нагрузки.

Рисунок 6.10 Смещение тиристора и Рисунок 6.11

Рисунок 6.10, Рисунок 6.11

Когда анод тринистора соединен с отрицательным выводом, а его катод с положительным выводом батареи (рисунок 6. 10 «б»), мы знаем, что в такой ситуации Ток подключения питания, протекающий через SCR, блокируется двумя переходами J1 и J3 с обратным смещением. В такой ситуации, когда напряжения питания, поступающие на тиристор, увеличиваются, наступает момент, когда происходит пробой стабилитрона, из-за которого тиристор может прийти в негодность или стать неэффективным (рис. 6.11). Это доказывает, что по сравнению с симистором (который является двунаправленным устройством) SCR является однонаправленным устройством (то есть устройством, которое работает в одном направлении)

Запуск и срабатывание

Обычно тиристор работает за счет подачи прямого смещения от анода к катоду (т.е. тиристор работает за счет подключения его анода к +ive, а катода к -ive клеммам батареи). Таким образом, на анод подается меньшее напряжение, чем перенапряжение пробоя, например V _{BR (F)} или V _BO . Далее, когда на его затвор подается маломощный импульс, он срабатывает и переходит в состояние проводимости (т. е. включается). В результате подачи напряжения или тока на затвор тиристор фиксируется во включенном состоянии (т. е. даже если ток или сигналы затвора устранены, тиристор остается включенным, а не выключается). Таким образом, для включения тринистора необходим мгновенный импульс напряжения затвора.

На рис. 6.12 продемонстрирован положительный импульс затворного напряжения между затвором и катодом тиристора, благодаря которому переход затвор-катод оказывается смещенным в прямом направлении. Когда SCR включен, поток тока от анода к катоду ограничивается последовательным сопротивлением.

Рисунок 6.12– включение тиристора импульсом затвора

Рисунок 6.12

На затвор тиристора подаются сигналы

1). Сигналы зажигания постоянного тока (рисунок 6.13 а)

2). Импульсные сигналы (рис. б)

Рисунок 6.13

Когда переключатель цепи S, как показано на рисунке (a), разомкнут, SCR вообще не проводит, и поэтому лампа не загорается. Когда переключатель S замыкается на короткое время, мы получаем положительное напряжение на затворе тиристора, из-за которого среднее соединение тиристора PN становится смещенным в прямом направлении. Таким образом, кремниевый управляемый выпрямитель SCR начинает проводить ток, и лампа зажигается. SCR работает или остается включенным до тех пор, пока напряжение питания не изменится на противоположное (или он не будет выключен). На рисунке b механизм срабатывания проиллюстрирован временными импульсами, полученными через источник импульсов. Запуск также может осуществляться за счет повышения температуры перехода прямого смещения (до момента пробоя обратного смещения) и увеличения значений напряжения, подаваемого на анод и катод ТПЗ (из-за чего уменьшается ширина обедненных слоев и в конечном итоге исчезает переход обратного смещения). . Однако наиболее распространенным методом запуска SCR является метод запуска затвора.

Включение тиристора

Когда значение тока затвора, подаваемое на затвор, равно нулю, тиристор остается выключенным (как показано на рис. 6.14 c). в таком состоянии между анодом и катодом существует большое сопротивление, которое представлено разомкнутым переключателем. Когда на затвор подается положительный импульс тока или триггер, оба транзистора включаются (однако анод должен быть более положительным по отношению к катоду). Этот процесс показан на рисунке «b», I _B2 включает транзистор Q ₂ ON, благодаря чему IB ₂ получает проход на вход коллектора транзистора Q ₂. Таким образом, Q ₁ включается. Ток коллектора Q ₁ обеспечивает дополнительный ток к базе Q ₂, так что Q ₂ может проводить непрерывно, даже если триггерный импульс удален от затвора. В результате этого регенеративного процесса Q ₂ сохраняет проводимость Q ₁ посредством пропускания I _B1. В ответ Q ₁ сохраняет Q ₂ проводку через I _B2 проход. Таким образом, после срабатывания SCR всегда включается (или остается в режиме фиксации), как показано на рисунке «с». В такой ситуации между анодом и катодом существует очень малое сопротивление, и SCR изображается в виде замкнутого переключателя.

Рисунок 6.14 – а). SCR ВЫКЛ б). SCR сработал на c). SCR остается включенным после запускающего импульса

Рисунок 6.14

Выключение SCR

Как описано выше, после срабатывания и включения тиристора SCR остается включенным, даже если пусковой импульс удаляется. Эта характеристика тиристора, который остается включенным, несмотря на уменьшение тока затвора, называется фиксацией. Этот SCR также называют своего рода запорным устройством.

Для выключения SCR используются следующие различные методы.

и). Операция анодного тока

ii). Изменение полярности анодно-катодного напряжения. Эта операция называется принудительной коммутацией

iii). Уменьшение значения тока, проходящего через SCR, по сравнению со значением тока удержания. Этот метод называется падением низкого тока.

В методе отключения анодного тока переключатель устанавливается параллельно аноду или его серии для прерывания анодного тока (как показано на рис. 6.15). На рисунке (а) виден переключатель, установленный на анодном ряду. Значение анодного тока поддерживается равным нулю за счет замыкания этого переключателя, из-за чего тиристор выключается. На рисунке б зафиксирован переключатель, параллельный аноду. Замыканием этого ключа анодный ток разделяется на две части или два параллельных пути, благодаря чему величина тока или анодного тока, ведущего к тринистору, становится меньше относительно тока удержания (I _В). В результате тиристор отключается (помните, ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии, называется током удержания)

Рисунок 6.15 – Тиристор выключается прерыванием анодного тока на мгновение проходит через направление, противоположное прямой проводимости тиристора (т. е. направление, в котором проводит тиристор, ток обратной полярности проходит с противоположного направления тиристора). Таким образом, значение полного прямого тока, проходящего через SCR, уменьшается по сравнению со значением удержания, и, следовательно, SCR отключается.

Этот тип базовой схемы показан на рис. 6.16. Эта схема состоит из переключателя и батареи, которые установлены параллельно SCR. Переключатель остается разомкнутым во время проведения SCR, как показано на рисунке «а». Когда необходимо срочно выключить SCR, переключатель замыкается. Таким образом, батарея подключается параллельно тиристорам, и ток форсировки начинает течь в направлении, противоположном прямому току тиристора. Это показано на рисунке «b». Обычно время отключения SCR составляет от нескольких микросекунд до 30 микросекунд.

Рисунок 6.16 – Выключение тиристора путем принудительной коммутации

Рисунок 6.16

Простая схема выключения тиристора

На рисунке 6.17 показан простой способ выключения тиристора, который состоит из транзистора NPN, имеющего был предвзятым простым способом. Всякий раз, когда возникает необходимость выключить тринистор, на базе этого транзистора подается импульс. Рабочий механизм этой схемы очень прост. В течение периода времени, в течение которого мы хотим держать SCR включенным, на базу транзистора не подается импульс. Это означает, что значение тока базы транзистора и значения тока коллектора равны нулю (т. е. I _В =0, I _С =0). В такой ситуации коллектор транзисторов отражает состояние разомкнутой цепи эмиттеров, и, таким образом, вторжение в сработавший тринистор не происходит. Всякий раз, когда требуется выключить SCR, на затвор транзисторов подается импульс, как показано на рисунке. За счет этого импульса открывается транзистор, и начинается протекание тока от тринистора в направлении, противоположном тому, которое имеет место в нормальных условиях. Таким образом, ток удержания SCR уменьшается, и SCR выключается. Помните, что значение этого тока должно быть равно или выше по сравнению с током удержания SCR, чтобы SCR можно было успешно отключить. Эта схема считается очень широко используемой для отключения SCR.

Рисунок 6.17 – простая схема выключения тиристора

Рисунок 6.

Кривые характеристик тиристора

Кремниевый управляемый выпрямитель SCR можно очень легко включить, подав на его затвор значительный импульс соответствующего тока. При включении тринистора его пробивное напряжение уменьшается с увеличением значений тока затвора. Кривые характеристик, построенные для различных значений тока затвора между выходным током и (I _A ) и выходное напряжение (V _AK ) называются кривыми характеристик SCR. Помните, что ток удержания уменьшается из-за увеличения значений тока затвора.

На рис. 6.18 (а) внешний (внешний) резистор размещен рядом с тиристором, функция которого заключается в ограничении тока в случае пробоя. Когда значение V _AK очень мало, а SCR выключен, значение тока утечки также уменьшается. Таким образом, параллельно резистору R возникает очень незначительное падение напряжения.0003

Таким образом, в такой ситуации большинство питающих напряжений V _A появляются параллельно тиристорам в виде V _AK, и здесь тиристоры находятся в области прямой блокировки. Когда значение V _AK равно V _{BR (F),} SCR резко включается. В такой ситуации тиристор имеет тенденцию работать как замкнутый переключатель, и падение напряжения, параллельное ему, внезапно становится совсем небольшим. Из рисунка хорошо видно, что точка, в которой V _AK и V _BR(F) равны, от этой точки отходит петля характеристических кривых. Кроме того, значение IA в этот момент очень низкое. Если значение VA сделать отрицательным до подходящего предела, происходит обратный пробой, что видно из рисунка.

Рисунок 6.18 – ВАХ тиристора с I _G =0

Рисунок 6.18

Рисунок 6.19- Характеристические кривые тиристора

Рисунок 6.19 прямое перенапряжение между анодом и катодом, которое видно из кривых характеристик, показанных на рисунке 6.19.(а) (данные характеристики получены при токе затвора, равном нулю). Другими словами, SCR также может быть включен без подачи импульса на его затвор. В этом методе напряжения, параллельные аноду и катоду тиристора, постепенно увеличиваются, пока их значение не превысит прямое напряжение пробоя V _BF (F).

при таком сценарии SCR включается немедленно. Если значение тока затвора I _G увеличивается выше нуля, как видно из нескольких кривых, приведенных на рисунке (b), перенапряжения прямого отключения начинают снижаться. Наконец, значение IG достигает (2 вольта), при котором SCR включается через очень низкое напряжение между анодом и катодом. Таким образом, ток затвора регулирует значение проходящего напряжения для удержания SCR во включенном состоянии. Вот почему он называется выпрямителем с кремниевым управлением.

Несмотря на то, что напряжение между анодом и катодом превышает перенапряжение прямого отключения, однако, если ток ограничен, такие напряжения не наносят никакого ущерба устройству. Такого типа ситуации всегда следует избегать, потому что в такой ситуации контроль нормального SCR прекращается. Следует помнить, что SCR обычно должен запускаться только импульсом на затворе.

Участок обратного смещения кривых характеристик SCR просто аналогичен диоду PN. Очень небольшое количество тока утечки протекает из-за действия обратного смещения на SCR. При постепенном увеличении обратных напряжений обратный пробой происходит в обратном направлении при определенном напряжении пробоя, и обратный ток начинает очень резко возрастать. Однако клемма затвора оказывает очень незначительное влияние на область обратного смещения. Ниже приведены различные характеристики и рейтинги SCR:

Прямое напряжение пробоя (V _BR(F)

Такие напряжения, через которые SCR входит в свою область прямой проводимости, называются прямыми напряжениями пробоя. Когда значение тока затвора I _G равно нулю, значение этих напряжений в этот момент является максимальным.При увеличении значения I _G прямое напряжение отключения уменьшается в той же пропорции.Как видно из кривых характеристик тиристора, эти напряжения представлены либо V _{BR (F)} или V _{B (RF)}.

Ток удержания

То значение анодного тока, при котором SCR переключается или входит в область прямой блокировки из своей области прямой проводимости, называется током удержания I _(H) . Значение I _H всегда противоположно или обратно IG. (То есть, когда значение I _H увеличивается, значение I _G уменьшается), пока значение тока удержания I _H не станет максимальным при токе затвора I _G приходит получает ноль.

Ток срабатывания затвора (IGT)

Значение тока срабатывания затвора, которое требуется при определенных обстоятельствах для перевода тринистора из области прямой блокировки в область проводимости вперед, называется током срабатывания затвора (I _GT )

Средний прямой ток IF

_(AVG)

То постоянное и максимальное значение анодного тока (DC), которое SCR может выдержать в режиме проводимости при особых условиях, называется средним прямым током.

Область прямой проводимости

Область (или та часть или область кривых характеристик), которая представляет состояние ВКЛ или проводимости SCR, называется областью прямой проводимости. Помните, что в этой области SCR работает как типичное короткое замыкание. В результате этого сопротивление тиристора в этой области чрезмерно низкое (около нуля)

Прямая и обратная блокировка областей

Это такие причины, которые представляют собой ВЫКЛ. состояние тиристора (т.е. в этом тиристора остается off), следовательно, эти области отражают разомкнутую цепь. В такой ситуации ток от анода к катоду прекращается.

Обратные напряжения пробоя В

_BR(R)

На рисунке показано значение обратного напряжения между анодом и катодом, при котором происходит пробой ОПЗ и попадание в область пробоя или лавины. Помните, что в такой ситуации SCR очень быстро проводит ток, как обычный диод с PN-переходом. Таким образом, кремниевый управляемый выпрямитель SCR может оказаться бесполезным или неэффективным из-за протекания чрезмерного обратного тока. Таким образом, SCR в этом регионе не работает.

Сводка

1). После подачи номинального напряжения между анодом и катодом, когда на затвор SCR подается положительное напряжение, он работает как диод и включается.

2). Подача отрицательного напряжения на затвор SCR не включает его.

3). Тринистор не проводит нормально, если на его затвор не подается напряжение.

4). Как только SCR включается, он остается включенным при полной нагрузке, даже если эти положительные напряжения затвора снимаются

5). Подача положительных напряжений на затвор при проведении не оказывает никакого влияния

6). Подача отрицательных напряжений во время проводимости не выключает тринистор

7). Напряжения, обеспечиваемые между анодом и катодом тиристора для поддержания тиристора во включенном состоянии, не должны превышать напряжения пробоя.

8). SCR очень чувствительны к теплу, поэтому их следует защищать от высоких температур

9). Когда SCR проводит ток, его цепь анод-катод должна быть разомкнута, чтобы отключить его

10). При выключении тиристора значение его рабочего тока должно быть снижено по сравнению с его значением тока удержания.

Номинальные параметры тиристоров

Обычно доступны тиристоры с номинальным током менее одного ампера до 1400 ампер и диапазоном от 15 до 1500 вольт. Их ток затвора при включении составляет около 50 миллиампер, а напряжение на аноде составляет около 1 вольта.

На рис. 6.20 показаны различные типы SCR.

Рисунок 6.20

Мощный полевой транзистор в сравнении с тиристорным

Хотя и полевой транзистор, и тиристор могут чрезмерно включать и выключать ток, тем не менее, даже в этом случае оба устройства принципиально различаются. Основное различие между ними заключается в способах их отключения (т. е. оба устройства выключаются по-разному). Мощный полевой транзистор можно включать и выключать, подавая на затвор напряжение затвора. В то время как SCR не выключается таким образом, потому что напряжения затвора SCR могут просто включить его.

На рисунке 6.21 показано это различие. Когда входы мощного полевого транзистора высоки, его выходные напряжения в это время низки, как видно на рисунке (а). Когда входное напряжение низкое, его выходное напряжение высокое. Другими словами, инвертированный прямоугольный выходной импульс генерируется из прямоугольного входного импульса.

Рисунок 6.21 (Мощный полевой транзистор в сравнении с SCR)

Рисунок 6.21

Когда входные напряжения кремниевого выпрямителя SCR высоки (как видно на рисунке b), его выходные напряжения низки. Однако, когда входное напряжение низкое, выходное напряжение также остается низким. Если на SCR подается прямоугольный входной импульс, на выходе получается отрицательный импульс. Далее,

SCR не сбрасывается.

Поскольку оба устройства сбрасываются по-разному, их использование также отличается. Силовые полевые транзисторы работают как кнопочный переключатель, а SCR действует как однополюсный однопозиционный переключатель (SPST).