Тиристор что это такое: характеристики, параметры, принцип работы, виды и назначение тиристоров

Содержание

принцип работы и что это такое?

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

Транзисторный эквивалент

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

Структура тиристора и его транзисторная эквивалентная схема

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

Динистор

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

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

Динистор и его эквивалентная схема

Трудности выключения

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

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

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

Схемы выключения динистора

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

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

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

Многообразие модельного ряда

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

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

Типы тиристоров Внешний вид тиристоров Обозначения тиристоров

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

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

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

Похожие статьи:

6.6.2.      Способы выключения тиристоров | Электротехника

Выключение тиристора путем уменьшения тока в цепи основ­ных электродов до значения, меньшего удерживающего тока, или путем разрыва цепи основных электродов.

Тиристор будет выключен, т.е. переведен из открытого состояния в закрытое, только после рассасывания неравновесных носителей заряда в базовых областях. Если до окончания процесса выключения вновь подать напряжение между основными электродами тирис­тора, то он окажется во включенном состоянии. Таким образом, для выключения тиристора необходимо некоторое время.

При выключении тиристора путем разрыва цепи основных электродов рассасывание неравновесных носителей заряда про­исходит только в результате рекомбинации. Такой способ выклю­чения применяется, когда время выключения тиристора не влияет на работу той или иной схемы.

Выключение тиристора путем изменения полярности анодного напряжения

Для ускорения процесса рассасывания неравновес­ных носителей заряда, накопленных в базовых областях при прохождении прямого тока через открытый тиристор, необходимо понизить потенциальный барьер коллекторного перехода. Однако коллекторный переход при открытом состоянии тиристора уже был смещен в прямом направлении из-за накопленных неравно­весных носителей заряда в базовых областях и, следовательно, имел малое сопротивление.

Поэтому на долю коллекторного перехода при переключении тиристора на обратное напряжение приходится очень малая часть всего внешнего напряжения. Из-за малого сопротивления тиристора, находящегося еще в открытом состоянии, обратный ток на первом этапе процесса выключе­ния ограничен сопротивлением внешней цепи.

Существенное уменьшение времени выключения даже при не­больших обратных напряжениях удается получить для тиристо­ров, проводящих в обратном направлении. У этих тиристоров оба эмиттерные перехода зашунтированы объемными сопротивле­

ниями прилегающих базовых областей. Поэтому даже небольшое обратное напряжение способствует быстрому рассасыванию накопленных в базовых областях неравновесных носителей.

Выключение тиристора с помощью тока управляющего электрода

Для выключения тиристора необходимо отвести не­равновесные основные носители заряда из базы, у которой имеется управляющий электрод. В то же время основной ток, проходящий через еще открытый тиристор, непрерывно воспол­няет количество неравновесных носителей заряда в базовых об­ластях. Таким образом, значение тока управления, необходи­мого для выключения тиристора, зависит от основного тока через тиристор.

Некоторые тиристоры с большой площадью р-n-переходов невозможно выключить с помощью тока управляющего электрода при больших токах между основными электродами. Объясняется это тем, что при движении носителей заряда к управляющему электроду, например, дырок в тиристоре (рис. 6.14) база тиристора под эмиттерным переходом становится неэквипотенциальной и дальние от управляющего электрода части эмиттерного перехода остаются смещен­ными в прямом направлении. Инжекция электронов из этих частей эмиттерного перехода поддерживает соответствующую часть тиристорной структуры в открытом состоянии.

Таким образом, существуют тиристоры, запираемые и незапираемые по управляющему электроду.

Запираемый (двухоперационный) тиристор – это тиристор, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и, наоборот, при подаче на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности.

Но и для за­пираемого тиристора существует максимально допустимый по­стоянный запираемый ток () – наибольшее значение основ­ного тока, до которого допускается запирание тиристора по управляющему электроду. При использовании в мощных устрой­ствах запираемые тиристоры обладают преимуществами перед транзисторами, поскольку тиристоры способны выдерживать значительно большие напряжения в закрытом состоянии.

Тиристор – принцип работы, устройство и схема управления. Тиристоры

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

Особенности тиристоров

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

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

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

Работа тиристора в цепях постоянного тока

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

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

Способы выключения

Можно выделить два типа коммутации тиристоров:

  1. Естественная.
  2. Принудительная.

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

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

Способы принудительной коммутации

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

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

Работа тиристора в цепях переменного тока

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

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

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

Фазовый метод управления

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

Широтно-импульсное управление

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

Тиристоры запираемые

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

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

Конструкция запираемого тиристора

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

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

Виды тиристоров

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

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

Осуществление защиты элемента

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

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

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

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

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

Способ обозначения на схемах показан на рисунке 1.

Электронный элемент имеет следующие выводы:

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

Принцип действия тиристора

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

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

Условия закрытия тиристора:

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

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

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

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

Схема включения

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

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

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

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

Характеристики

К основным характеристикам можно отнести следующие:

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

Типы данных электронных компонентов

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

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

Симисторы

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

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

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

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

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

Тиристоры

I. Назначение

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

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

II. Классификация

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

    тиристоры, запираемые в обратном направлении;

    проводящие в обратном направлении;

    симметричные.

Триодные тиристоры подразделяют:

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

    проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду;

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

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

Рис.2.2. Структура тиристора .

III. Принцип действия

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

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

а) б)

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.4. Вольтамперная характеристика динистора

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

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

Рис. 2.5. Триодный тиристор:

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

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

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

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

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

Тиристоры с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми .

IV. Основные параметры тиристоров


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

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

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

Принцип действия

Рассмотрим работу тиристора по следующей простой схеме.

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

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

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

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

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

Особенности устройства

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

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

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

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

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

Виды тиристоров

Различают несколько разновидностей тиристоров. Рассмотрим их классификацию.

По способу управления разделяют на:

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

Триодные тиристоры в свою очередь разделяются:

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

Запирание тиристора производится:

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

По обратной проводимости тиристоры делятся:

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

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

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

Разделение тиристоров по мощности

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

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

Простая сигнализация на основе тиристора

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

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

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

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

Регулятор мощности на тиристоре

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Данный вид полупроводниковых приборов имеет следующую структуру:

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

На принципиальных схемах тиристор имеет такое обозначение:

Вольт-амперная характеристика показана ниже:

Давайте подробнее рассмотрим эту характеристику.

Обратная ветвь характеристики

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

Зона низкой проводимости

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

Зона высокой проводимости

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

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

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

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

Видео работы и графики переходных процессов

что это? Отвечаем на вопрос. Принцип работы и характеристики тиристоров

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

Особенности тиристоров

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

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

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

Работа тиристора в цепях постоянного тока

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

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

Способы выключения

Можно выделить два типа коммутации тиристоров:

  1. Естественная.
  2. Принудительная.

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

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

Способы принудительной коммутации

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

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

Работа тиристора в цепях переменного тока

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

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

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

Фазовый метод управления

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

Широтно-импульсное управление

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

Тиристоры запираемые

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

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

Конструкция запираемого тиристора

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

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.

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.

Тиристоры | Основы электроакустики

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов. Слово тиристор происходит от греческого thyra, означающего дверь, и указывает на то, что он может быть или открыт, или закрыт. Другое название этого прибора – кремниевый управляемый вентиль (КУВ). Последнее название указывает на то, что тиристор ведет себя как диод с дополнительной возможностью управления мощностью, направляемой в нагрузку.

В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на динисторы, тиристоры и симисторы (триаки).

Условные графические обозначения тиристоров:
  • а) динистор,
  • б) тиристор,
  • в) симистор 

Тиристоры обычно характеризуют набором статических и динамических параметров, к которым относятся:

  • - напряжение переключения UПК;
  • - напряжение в открытом состоянии UОС;
  • - обратное напряжение – напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения работоспособности UОБР;
  • - запирающее напряжение на управляющем электроде UУПР;
  • - ток в открытом состоянии IОС;
  • - время включения и время выключения тиристора tВКЛ и tВЫКЛ;
  • - рассеиваемая мощность P. 

Тиристор не будет проводить до тех пор, пока не протечет импульс тока в цепи запуска. Если запуск произошел, то в действие вступает регенеративный процесс и тиристор продолжает проводить до тех пор, пока источник напряжения не будет удален. Рис. 5.2 иллюстрирует это свойство на простой схеме, где выпрямляется некоторая часть входного переменного напряжения. Проводящее состояние тиристора не наступает до тех пор, пока импульс тока не протечет от управляющего электрода к катоду; поэтому фаза последовательности запускающих импульсов по отношению к переменному напряжению источника определяет долю периода, в пределах которой открывшийся тиристор пропускает сигнал. Тиристор автоматически выходит из состояния проводимости в конце каждого полупериода, поскольку входное напряжение уменьшается до нуля.

Рис.5.2. Схема простейшего регулятора на тиристоре 

Тиристор является чрезвычайно эффективным и быстрым переключающим устройством (типичное время включения 1 мкс). Им можно воспользоваться для управления очень большими мощностями, поскольку р-n переходы можно сделать такими, чтобы они выдерживали многие сотни вольт при смешении в обратном направлении. При соответствующих размерах р-n переходов с помощью тиристора можно переключать токи величиной в сотни ампер и при этом на нем падает напряжение всего лишь порядка одного вольта. Такого сочетания высокого напряжения пробоя с большим эффективным коэффициентом усиления тока нельзя достичь в мощном транзисторе: большой коэффициент усиления тока требует, чтобы область базы была тонкой, а это приводит к низкому напряжению пробоя.

 

Рис.5.3. Временные диаграммы работы регулятора

 

Тиристор идеально подходит для регулирования мощности переменного напряжения во всем, кроме одного: он является однополупериодным устройством, а это означает, что даже при полной проводимости используется только половина мощности. Можно включить параллельно два тиристора навстречу друг другу, чтобы обеспечить двухполупериодный режим работы, однако для этого требуется подавать импульсы запуска на управляющие электроды от двух изолированных, но синхронных источников.

На практике для регулирования мощности переменного напряжения используется двунаправленный тиристор или симистор. Как можно видеть на рис. 5.4, симистор можно рассматривать как два инверсно-параллельных тиристора с управлением от единственного источника сигнала. Симистор является настолько гибким устройством, что его можно переключать в проводящее состояние как положительным, так и отрицательным импульсом запуска независимо от мгновенной полярности источника переменного напряжения. Названия катод и анод теряют смысл для симистора; ближайший к управляющему электроду вывод назвали, основным выводом 1 (МТ1), а другой — основным выводом 2 (МТ2). Запускающий импульс всегда подается относительно вывода МТ1 так же, как в случае тиристора он обычно подается относительно катода.

Обычно для переключения симистора, рассчитанного на ток до 25 А, достаточен пусковой ток 20 мА, и одним из простейших примеров его применения является «твердотельное реле», в котором небольшой пусковой ток используется для управления большим током нагрузки.

Рис.5.4. Простое «твердотельное реле» на симисторе

 

В качестве ключа S могут быть геркон, чувствительное термореле или любая контактная пара, рассчитанная на 50 мА; ток в цепи нагрузки ограничивается только параметрами симистора. Полезно отметить, что резистор R, в цепи запуска находится под напряжением сети только в моменты включения симистора; как только симистор включается, разность потенциалов на резисторе R, падает до величины около одного вольта, так что достаточен полуваттный резистор.

Весьма распространенными применениями симистора являются регулятор яркости для лампы или управление скоростью вращения мотора. На рис.5.5 показана такая схема. Временное положение запускающих импульсов устанавливается RС-фазовращателем; потенциометром R2 регулируют яркость лампы, тогда как резистор R1 просто ограничивает ток, когда потенциометр установлен в положение с минимальным сопротивлением. Сами импульсы запуска формируются динистором, который можно представить себе как маломощный тиристор без управляющего электрода с низким напряжением лавинного пробоя (около 30 В). Когда разность потенциалов на конденсаторе С достигает уровня пробоя в динисторе, мгновенный импульс разряда конденсатора включает симистор.

Рис.5.5. Простейшая схема регулировки яркости лампы на симисторе с фазовым управлением

 

Легко сделать автоматический фотоэлектрический выключатель лампы, присоединив параллельно конденсатору С фоторезистор. Сопротивление фотоэлемента в темноте велико, порядка 1 МОм, но при дневном свете оно падает до нескольких килоом так, что симистор не может открыться и лампа выключена. Если в автоматическом выключателе ручная регулировка не требуется, то резистор R2 можно закоротить.

На рис.5.6 показано, как симистор управляет мощностью в нагрузке, отрезая начальную часть каждого полупериода. Длительность пропущенной части зависит от запаздывания пускового импульса по фазе, которое определяется суммой сопротивлений R1, R2 и емкостью С. В простейшей схеме управления на рис.5.5 фазовый сдвиг не может быть больше 90°, так как используется только одна RС-цепочка. Поэтому такая схема является плохим регулятором при малой мощности, поскольку в нем могут происходить неожиданные скачки от выключенного состояния к полной мощности.

Рис.5.6. Форма напряжения на нагрузке в симисторном регуляторе при постепенном увеличении фазового сдвига

 

Более совершенная схема приведена на рис.5.7; включение дополнительной RС-цепочки (R3,C3) дает больший фазовый сдвиг для лучшего управления при малой мощности. Дальнейшие усовершенствования состоят во введении следующих элементов: (а) демпфера с постоянной времени RС для предотвращения ошибочных переключений от противо-э.д.с. индуктивной нагрузки и (b) радиочастотного фильтра L1C1 для подавления помех. Последний элемент всегда следует вводить в симисторную или тиристорную схему, работающую по принципу «отсекания части колебания», поскольку быстрые включения и выключения могут создавать серьезные радиопомехи в питающей сети.

Имеется большое число различных симисторов и тиристоров. Как и в случае выпрямительных диодов, для того, чтобы выбрать прибор с нужным номинальными напряжением и током, можно обратиться к каталогам и справочным данным. Большинство производителей выпускают подходящие динисторы, но имеются также приборы, называемые quadrac, в которых объединены симистор и динистор

Тиристор SCR (управляемый кремниевый выпрямитель)

Добавлено 8 октября 2018 в 20:57

Сохранить или поделиться

Динисторы (диоды Шокли) и тиристоры SCR (Silicon Controlled Rectifiers, управляемые кремниевые выпрямители)

Динисторы (диоды Шокли) – это довольно любопытные устройства, но довольно ограниченные в применении. Однако их полезность может быть расширена путем оснащения их другим средством отпирания. При этом каждый из них становится настоящим усилительным устройством (только если в режиме отпирания/запирания), и мы называем их кремниевыми управляемыми выпрямителями (silicon-controlled rectifier) или SCR тиристорами.

Тиристор SCR (silicon-controlled rectifier, кремниевый управляемый выпрямитель), или просто тринистор

Развитие от динистора до тринистора достигается с помощью одного небольшого дополнения, фактически не более чем третьего подключения к существующей структуре PNPN (рисунок ниже).

Тиристор SCR (управляемый выпрямитель, тринистор)

Проводимость управляемых выпрямителей SCR (тринисторов)

Если управляющий электрод тринистора остается висящим в воздухе (неподключенным), он ведет себя точно так же, как динистор (диод Шокли). Он может быть отперт напряжением переключения или превышением критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом, всё как у динистора. Запирание осуществляется за счет уменьшения тока до тех пор, пока один или оба внутренних транзистора не упадут в режим отсечки, всё как у динистора. Однако, поскольку управляющий вывод подключается непосредственно к базе нижнего транзистора, он может использоваться как альтернативное средство отпирания тиристора SCR. Прикладывая небольшое напряжение между управляющим электродом и катодом, нижний транзистор будет открываться результирующим тока базы, что приведет к тому, что верхний транзистор будет проводить ток, а затем запитывать базу нижнего транзистора, поэтому он больше не будет нуждаться в активации напряжением управляющего электрода. Разумеется, необходимый для отпирания ток управляющего вывода будет намного ниже, чем ток через SCR тиристор от катода до анода, поэтому, используя SCR тиристор, можно добиться усиления.

Переключение/запуск

Данный метод обеспечения проводимости тиристора SCR называется запуском или переключением, и на сегодняшний день наиболее распространенным способом является тот, которым SCR тиристор отпирается в реальной практике. Фактически, SCR тиристоры обычно выбираются так, чтобы их напряжения переключения находились далеко за пределами наибольшего напряжения, ожидаемого от источника питания, поэтому его можно включить (отпереть) только путем преднамеренного импульса напряжения, подаваемого на управляющий вывод.

Обратное переключение

Следует отметить, что SCR тиристоры иногда могут быть выключены (заперты) путем прямого замыкания управляющего вывода и вывода катода или с помощью «обратного переключения» управляющего вывода отрицательным напряжением (относительно катода), чтобы принудительно перевести нижний транзистор в режим отсечки. Я говорю, что это «иногда» возможно потому, что это включает в себя шунтирование всего тока верхнего транзистора через базу нижнего транзистора. Этот ток может быть существенным, что в лучшем случае затрудняет запирание SCR тиристора. Вариация SCR тиристора под названием запираемый тиристор, или GTO (Gate-Turn-Off), облегчает эту задачу. Но даже с GTO тиристором ток управляющего электрода, необходимый для его отключения, может составлять до 20% от тока анода (нагрузки)! Условное обозначение GTO тиристора показано на рисунке ниже.

Условное обозначение GTO тиристора

SCR тиристоры против GTO тиристоров

Тиристоры SCR и GTO имеют одну и ту же эквивалентную схему (два транзистора, соединенные по принципу положительной обратной связи), единственными отличиями являются детали конструкции, предназначенные для предоставления NPN транзистору большего коэффициента β, чем у PNP транзистора. Это позволяет меньшему току управляющего электрода (прямому или обратному) осуществлять большую степень управления проводимостью от катода к аноду, причем открытое состояние PNP транзистора больше зависит от NPN транзистора, чем наоборот. Запираемый тиристор GTO также известен под названием тиристор GCS (Gate-Controlled Switch).

Проверка работоспособности SCR тиристора с помощью мультиметра

Элементарный тест работоспособности SCR тиристора или, по крайней мере, определение выводов, может выполняться измерителем сопротивления. Поскольку внутреннее соединение между управляющим электродом и катодом является PN переходом, мультиметр должен показывать целостность соединения между этими выводами с красным измерительным щупом на управляющем электроде и черным измерительным щупом на катоде следующим образом (рисунок ниже).

Элементарная проверка SCR тиристора

Все остальные измерения целостности соединений, выполненные на SCR тиристоре, будут показывать «разрыв» («OL» на дисплеях некоторых цифровых мультиметров). Следует понимать, что этот тест очень груб и не является полной оценкой SCR тиристора. SCR тиристор может давать хорошие показания омметра и по-прежнему оставаться неисправным. В конечном счете, единственный способ проверить SCR тиристор – подвергнуть его нагрузочному току.

Если вы используете мультиметр с функцией «проверки диода», показания напряжения перехода управляющий электрод - катод, которые вы получите, могут соответствовать, а могут и нет, тому, что ожидается от кремниевого PN перехода (примерно 0,7 вольта). В некоторых случаях вы будете получать показания намного более низкого напряжения перехода: сотые доли вольта. Это связано с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом и включенным в некоторые SCR тиристоры. Этот резистор добавляется, чтобы сделать SCR тиристор менее восприимчивым к ложным срабатываниям из-за ложных импульсов напряжения, из-за «шума» схемы или из-за статического электрического разряда. Другими словами, наличие резистора, подключенного к переходу управляющего электрода и затвора, требует большего переключающего сигнала (существенного тока) для отпирания SCR тиристора. Эта функция часто встречается в мощных SCR тиристорах, а не в маленьких. Не забывайте, что SCR тиристор с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом, будет показывать целостность соединения в обоих направлениях между этими двумя выводами (рисунок ниже).

У больших SCR тиристоров между управляющим электродом и катодом есть встроенный резистор

SCR тиристоры

с чувствительным управляющим электродом

«Обычные» SCR тиристоры, лишенные внутреннего резистора, иногда называются SCR тиристорами с чувствительным управляющим электродом из-за их способности запускаться малейшим положительным сигналом на управляющем электроде.

Тестовая схема для SCR тиристора является практичной в качестве диагностического инструмента для проверки подозрительных SCR тиристоров, а также отличной помощью для понимания основ работы SCR тиристоров. Для питания схемы используется источник питания постоянного тока, а два кнопочных коммутатора используются для отпирания и запирания SCR тиристора (рисунок ниже).

Схема для проверки SCR тиристоров

Нажатие нормально разомкнутой кнопки «вкл» соединяет управляющий электрод с анодом, позволяя протекать току от отрицательного вывода батареи через PN переход катод - управляющий электрод, через кнопку, через резистор нагрузки, и обратно к батарее. Этот ток управляющего электрода должен заставить SCR тиристор отпереться, позволяя протекать току прямо от катода к аноду без дальнейшего отпирания через управляющий электрод. Когда кнопка «вкл» отпущена, нагрузка должна оставаться под напряжением.

Нажатие нормально замкнутой кнопки «выкл» разрывает цепь, заставляя ток через SCR тиристор остановиться, тем самым вынуждая его запереться (величина тока ниже тока удержания).

Ток удержания

Если SCR тиристор не отпирается, проблема может быть связана с нагрузкой, а не с тиристором. Чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, требуется определенная величина тока нагрузки. Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может и не набирать достаточный ток, чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, когда прекращается ток через управляющий электрод, что дает ложное впечатление о плохом (неотпираемом) SCR тиристоре в тестовой схеме. Значения тока удержания для разных SCR тиристоров доступны у производителей. Типовые значения тока удержания колеблются от 1 миллиампера до 50 миллиампер и более для больших тиристоров.

Чтобы проверка была исчерпывающей, необходимо протестировать более чем переключающее поведение. Прямое напряжение переключения SCR тиристора можно проверить, увеличивая напряжение источника постоянного тока (без нажатия кнопок) до тех пор, пока SCR тиристор не отопрется самостоятельно. Остерегайтесь того, что для теста переключения может потребоваться очень высокое напряжение: многие мощные SCR тиристоры имеют номинальное напряжение переключения 600 вольт и более! Кроме того, если имеется импульсный генератор напряжения, аналогичным способом может быть проверена критическая скорость повышения напряжения SCR тиристора: необходимо подвергнуть тиристор импульсному напряжению с разными скоростями напряжение/время без воздействия на кнопочные переключатели и пронаблюдать, когда тиристор отопрется.

В этом простом виде, схема для проверки SCR тиристоров может быть достаточной в качестве схемы управления запуском/остановкой для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки (рисунок ниже).

Схема управления запуском/остановкой двигателя постоянного тока

Схема «монтировки»

Другое практическое применение SCR тиристора в схемах постоянного тока – это устройство «монтировки» для защиты от перенапряжения. Схема «монтировки» состоит из SCR тиристора, установленного параллельно выходу источника постоянного напряжения, для установления короткого замыкания на выходе этого источника питания, чтобы предотвратить подачу слишком повышенного напряжения на нагрузку. Повреждение SCR тиристора и источника питания предотвращается путем установки перед SCR тиристором подходящего предохранителя или существенного последовательного сопротивления для ограничения тока короткого замыкания (рисунок ниже).

Схема «монтировки», используемая в источнике питания постоянного тока

Некоторое устройство или схема, определяющие выходное напряжение, будут подключены к управляющему электроду SCR тиристора, поэтому при возникновении состояния перенапряжения между управляющим электродом и катодом будет приложено напряжение, отпирающее SCR тиристор и заставляющее сработать предохранитель. Эффект будет примерно таким же, как кидание стальной монтировки прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и название схемы.

Большинство применений SCR тиристоров предназначены для управления питанием переменным током, несмотря на то, что SCR тиристоры являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если схеме требуется двунаправленный ток, можно использовать несколько SCR тиристоров, причем для обработки обоих полупериодов волны переменного тока в каждом направлении должны смотреть один или несколько тиристоров. Основная причина, по которой SCR тиристоры вообще используются в приложениях управления питанием переменным током, – это уникальная реакция тиристора на переменный ток. Как мы видели, тиратронная лампа (электронно-ламповая версия SCR тиристора) и симметричный динистор (DIAC), гистерезисное устройство, запускаемое во время части полупериода переменного тока, будут отпираться и оставаться включенными на протяжении всей оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток не уменьшится до нуля, так как должен начинать следующий полупериод. Только перед точкой пересечения нуля сигналом переменного тока тиристор отключится (запрется) из-за недостаточного тока (это поведение также называется естественной коммутацией) и должен будет снова отпереться в следующем периоде. Результатом является ток цепи, эквивалентный «обрезанной» синусоиде. Для примера, ниже приведен график отклика симметричного динистора (DIAC) на переменное напряжение, пиковое значение которого превышает напряжение переключения DIAC.

Двунаправленный отклик симметричного динистора (DIAC)

При использовании DIAC предельное напряжение переключения было фиксированной величиной. С SCR тиристором мы контролируем, когда точно устройство отпирается путем переключения управляющего вывода в любой момент времени периода сигнала. Подключив подходящую схему управления к управляющему электроду SCR тиристора, мы можем «обрезать» синусоиду в любой точке, чтобы обеспечить пропорционально времени управление питанием на нагрузке.

Возьмем в качестве примера схему на рисунке ниже. Здесь SCR тиристор помещается в схему для управления питанием нагрузки, потребляемым от источника переменного тока.

Управление питанием переменным током с помощью SCR тиристора

Будучи однонаправленным (односторонним) устройством, самое большее, что мы можем подать на нагрузку, это только одна полуволна во время полупериода переменного тока, когда полярность напряжения питания положительна сверху и отрицательна снизу. Однако для демонстрации базовой идеи управления пропорционально времени эта простая схема подходит лучше, чем схема, управляющая мощностью во время всей волны (для чего потребуется два SCR тиристора).

При отсутствии переключения на управляющем электроде и величине напряжения источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения переключения SCR тиристора SCR тиристор никогда не откроется. Подключение управляющего электрода SCR тиристора к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через управляющий вывод в случае, если SCR тиристор содержит встроенный резистор между управляющим выводом и катодом) позволит запускать SCR тиристор почти сразу в начале каждого положительного полупериода (рисунок ниже).

Управляющий электрод подключен напрямую к аноду через диод; через нагрузку протекает почти целая полуволна тока.

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.

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

Резюме

  • Кремниевый управляемый выпрямитель, или SCR тиристор, по сути, является динистором (диодом Шокли) с дополнительным выводом. Этот дополнительный вывод называется управляющим электродом, и он используется для переключения устройства в режим проводимости (отпирает его) с помощью прикладывания небольшого напряжения. Для запуска, или отпирания, SCR тиристора напряжение должно быть приложено между управляющим электродом и катодом, плюс на управляющий электрод, минус на катод.
  • При тестировании SCR тиристора кратковременное соединение между управляющим электродом и анодом достаточно по полярности, интенсивности и продолжительности, чтобы отпереть тиристор. SCR тиристоры могут быть запущены с помощью преднамеренного запуска вывода управляющего электрода, повышенного напряжения (переключения) между анодом и катодом или повышенной скорости нарастания напряжения между анодом и катодом. SCR тиристоры могут быть выключены (заперты) падением анодного тока ниже значения тока удержания (выключение по низкому току) или «обратным переключением» управляющего электрода (прикладывание отрицательного напряжения к управляющему электроду). Обратное переключение эффективно только иногда и всегда включает в себя высокий ток через управляющий вывод.
  • Вариант SCR тиристора, называемый запираемым тиристором (GTO (Gate-Turn-Off) тиристор), специально предназначен для отключения с помощью обратного переключения. Даже в этом случае обратное переключение требует довольно высокого тока: обычно 20% от тока анода. Выводы SCR тиристора могут быть идентифицированы с помощью мультиметра в режиме «прозвонки»: единственные два вывода, показывающие какие-либо показания при «прозвонке», должны быть управляющий электрод и катод. Выводы управляющего электрода и катода подключаются к PN переходу внутри SCR тиристора, поэтому мультиметр в режиме «прозвонки» должен выдавать диодо-подобные показания между двумя этими выводами с красным (+) щупом на управляющем электроде и черным (-) щупом на катоде. Однако имейте в виду, что некоторые мощные SCR тиристоры содержат внутренний резистор, подключенный между управляющим электродом и катодом, что повлияет на любые измерения целостности соединения, проводимые мультиметром.
  • SCR тиристоры являются настоящими выпрямителями: они пропускают ток через себя только в одном направлении. Это означает, что они не могут использоваться в одиночку для двухполупериодного управления питанием переменным током. Если диоды в схеме выпрямителя заменить на SCR тиристоры, вы получите схему управляемого выпрямителя, где питание постоянным напряжением может подаваться на нагрузку пропорционально времени отпирания SCR тиристоров в разные моменты периода переменного напряжения питания.

Оригинал статьи:

Теги

SCR / тринистор (кремниевый управляемый выпрямитель)Защита цепейМультиметрОбучениеТиристорТок удержанияЭлектроника

Сохранить или поделиться

Где и как применять защитные тиристоры SIDACtor от Littelfuse

28 мая 2018

Мощные помехи, возникающие в сетях переменного напряжения, способны повреждать электронные устройства. Для защиты электроники чаще всего используют варисторы, TVS-диоды, газовые разрядники и защитные тиристоры. Защитные тиристоры SIDACtor серий Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА производства компании Littelfuse применяются, когда требуется высокая точность напряжения ограничения. Они сочетают высокую стабильность и достаточно большой пиковый ток.

Защита от помех, возникающих в сетях переменного напряжения – одна из важнейших задач, стоящих перед разработчиками электронных устройств. Если эту задачу не решить на этапе разработки, то срок эксплуатации незащищенного электронного устройства может оказаться весьма коротким.

Существует несколько традиционных элементов защиты от перегрузок по напряжению: металл-оксидные варисторы (MOV, Metal Oxide Varistor), TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor), газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube) и защитные тиристоры [1]. У каждого из них есть свои плюсы и особенности применения. Поэтому при построении системы защиты разработчики зачастую используют комбинацию из нескольких элементов. Например, тиристор и варистор могут включаться последовательно.

Защитные тиристоры отличаются рекордной стабильностью характеристик, высокой скоростью включения и способностью многократно выдерживать мощные импульсы перенапряжений. К сожалению, их основным недостатком является невысокий пиковый ток. Однако производители работают над решением этой проблемы. Например, совсем недавно компания Littelfuse пополнила линейку защитных тиристоров SIDACtor двумя новыми семействами – Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА (рисунок 1).

Рис. 1. Защитные тиристоры Pxxx0FNL и Pxxx0ME

Структура и характеристики защитных тиристоров SIDACtor

Защитные тиристоры SIDACtor имеют только два вывода, то есть, по определению являются диодными тиристорами [2]. Их упрощенная структура включает в себя четыре слоя с разными типами проводимости: эмиттер (верхний N-слой), верхняя база (верхний P-слой), средний N-слой, нижняя база (нижний P-слой) (рисунок 2). Электрод, подключенный к эмиттеру, часто называют катодом, а электрод, подключенный к нижней базе – анодом.

Рис. 2. Упрощенная структура защитных тиристоров SIDACtor

Диодный тиристор можно рассматривать как два встречно включенных диода. При низких напряжениях такая структура не проводит ток ни в одном из направлений. При увеличении напряжения наблюдается незначительный рост тока утечки. Рост напряжения приводит к увеличению напряженности поля, приложенного к p-n переходам. При некотором значении напряженности возникает лавинный пробой. При этом сопротивление тиристора скачком уменьшается до очень малого значения. Проводящее состояние сохраняется до тех пор, пока ток в тиристоре не уменьшится до уровня, при котором прекращается лавинный пробой. В реальных схемах выключение тиристора происходит при смене полярности приложенного напряжения.

Скачкообразное изменение сопротивления приводит к разрыву вольт-амперной характеристики тиристора (рисунок 3). С помощью ВАХ можно охарактеризовать наиболее важные параметры этих компонентов.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика защитных тиристоров SIDACtor

VDRM – рабочее напряжение: повторяющееся обратное напряжение в закрытом состоянии, при котором не происходит открытие тиристора.

IDRM – максимальное значение тока утечки при напряжении VDRM.

VS – напряжение переключения: максимальное напряжение, при котором происходит включение тиристора при воздействии импульса 100 В/мкс. Этот параметр характеризует уровень ограничения напряжения.

IS – ток переключения: максимальный ток, необходимый для включения тиристора.

IH – ток удержания: минимальный ток, необходимый для удержания тиристора в открытом состоянии.

VT – максимальное падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии.

IТ – максимальный допустимый постоянный ток тиристора в открытом состоянии.

IТSM – максимальный допустимый ток тиристора в открытом состоянии при воздействии синусоидального напряжения.

IPP – пиковый ток: максимальный допустимый импульсный ток тиристора в открытом состоянии.

di/dt – максимальная допустимая скорость нарастания тока.

Coff – собственная емкость в закрытом состоянии. Как правило, измеряется при напряжении 2 В и частоте 1 МГц.

Тиристоры SIDACtor являются полупроводниковыми силовыми компонентами и способны выдерживать множественные включения без существенного ухудшения характеристик (минимальная деградация). Тем не менее, если допустимая скорость нарастания тока di/dt будет превышена, то тиристор может выйти из строя. При этом значение максимального тока для SIDACtor оказывается достаточно скромным.

Сравнение характеристик защитных ограничителей напряжения

Для защиты от мощных помех в сетях переменного напряжения разработчики чаще всего используют следующие защитные элементы:

  • тиристоры SIDACtor®;
  • металл-оксидные варисторы (MOV, Metal Oxide Varistor),
  • TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor),
  • газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube).

Все перечисленные элементы подключаются параллельно нагрузке и имеют высокое сопротивление при отсутствии перенапряжений. При возникновении мощной помехи происходит активация защитного компонента. При этом тиристоры и газоразрядники при срабатывании формируют короткое замыкание, а варисторы и TVS-диоды ограничивают напряжение помехи. Рассмотрим достоинства и особенности применения всех представленных защитных компонентов (таблица 1) [2].

Таблица 1. Преимущества и особенности применения элементов защиты от перенапряжений

Параметр Газовые разрядники Защитные тиристоры SIDACtor® Варисторы TVS
Механизм работы Пробой (КЗ) Пробой (КЗ) Ограничение Ограничение
Уровень пиковых токов Высокий Средний Высокий Средний
Время срабатывания Более 1 мкс Менее 1 нс Диапазон нс Диапазон нс
Пиковый ток, кА 20 5 70 15
Минимальное напряжение включения, В 75 8 6 6
Точность напряжения включения Низкая Высокая Низкая Высокая
Эффективность ограничения выбросов напряжения Средняя Высокая Низкая Высокая
Типовая емкость, пФ ~1 ~30 ~1400 ~100
Напряжение в режиме ограничения ~30 В ~3 В Vc Vc
Уровень выживаемости Хороший Отличный Ограниченный Хороший
Соотношение «габариты/пиковый ток» Низкое Среднее Высокое Среднее

Тиристоры SIDACtor®

При возникновении помехи с напряжением, превышающим Vs, происходит открытие тиристора. При этом формируется состояние, близкое к короткому замыканию: напряжение на тиристоре скачком падает до очень малого значения (единицы В), а ток возрастает. Таким образом нагрузка оказывается защищенной от перенапряжений.

Тиристоры SIDACtor не могут быть повреждены напряжением. Кроме того, они отличаются минимальным временем включения и чрезвычайно высокой стабильностью напряжения срабатывания, которое практически не зависит от скорости нарастания помехи dv/dt (рисунок 4). Это делает тиристоры практически идеальным выбором, если требуется высокая точность установки напряжения ограничения.

Рис. 4. Стабильность напряжения включения для различных защитных компонентов

Важными достоинствами тиристоров также являются отличная долговременная стабильность и малая собственная емкость.

К особенностям применения тиристоров следует отнести необходимость использования защиты по току, например, предохранителей. В противном случае при превышении допустимых значений тиристор выйдет из строя.

Газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube)

Принцип работы газового разрядника построен на использовании газового пробоя [3]. Разрядник представляет собой герметично запечатанную керамическую колбу с инертным газом. Внутренняя часть электродов имеет особую форму, которая призвана сформировать электрическое поле. В ряде случаев разрядники снабжены дополнительным термопредохранителем (Failsafe Clip). При возникновении газового разряда, как и в случае с тиристорами, формируется состояние, близкое к короткому замыканию.

Основными достоинствами газовых разрядников являются высокие пиковые токи до 20 кА и рекордно низкая собственная емкость (единицы пФ). Разрядники чаще всего используются как первый рубеж защиты от перенапряжений и идеально подходят для высокочастотных схем.

К недостаткам разрядников можно отнести большую задержку включения, высокое и нестабильное напряжение ограничения, деградацию.

Металл-оксидные варисторы MOV

Варисторы являются наиболее распространенным типом защитных компонентов для сетей переменного напряжения [4].

Чаще всего для производства варисторов используется оксид цинка ZnO. При низких напряжениях ZnO фактически является диэлектриком с токами утечки в единицы микроампер. При увеличении напряжения выше некоторого предела (напряжения пробоя) происходит локальный разогрев оксида, что приводит к обратимому пробою. При пробое сопротивление резко уменьшается, а ток возрастает. Увеличение тока приводит к росту выделяемой мощности и разогреву структуры варистора. Значительное повышение рассеиваемой мощности может привести к необратимому тепловому пробою. При этом структура варистора разрушается.

Варисторы отличаются рекордно высокими пиковыми токами до 70 кА и способны эффективно поглощать мощные помехи. Вместе с тем их недостатками являются деградация параметров, высокая емкость и сильная зависимость напряжения ограничения от тока.

TVS-диоды

Принцип работы защитного TVS-диода основан на использовании обратимого пробоя [5]. Если к TVS приложить напряжение амплитудой больше определенного значения (напряжение пробоя), то начнется пробой с лавинообразным увеличением носителей. Ток, проходящий через диод, практически неограниченно возрастает, а напряжение меняется незначительно. В итоге происходит ограничение входного напряжения.

TVS-диоды эффективно справляются с быстрыми помехами, отличаются высокой стабильностью и длительным сроком службы. Тем не менее, TVS-диоды не являются идеальными защитными ограничителями. Во время пробоя при увеличении тока напряжение на диоде возрастает, хотя и не так быстро. Это приводит к тому, что уровень ограничения зависит от мощности помехи: чем мощнее помеха – тем выше напряжение ограничения.

Таким образом, все перечисленные элементы имеют свои плюсы и минусы. По этой причине разработчики часто используют совместное включение различных компонентов. Например, последовательное включение варистора и тиристора позволяет получать малое напряжение ограничения. Не стоит забывать и о том, что производители продолжают совершенствовать характеристики своей продукции.

Обзор семейств защитных тиристоров Pxxx0FNL и Pxxx0ME

Pxxx0FNL – серия защитных тиристоров SIDACtor с пиковым импульсным током 3 кА (импульсы 8/20 мкс IPP) и пиковым током 300 А в сетях 50/60 Гц (таблица 2). Диапазон рабочих напряжений (VDRM) для Pxxx0FNL составляет 58…350 В. Все тиристоры данной группы выпускаются в корпусном исполнении TO-262M.

Таблица 2. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0FNL

Наименование VDRM (lDRM = 5 мкА), мин., В VS
(100 В/мкс), мин., В
Ih мин., мА Is мин., мА It мин., А Vt
(при lt = 2,2 А), мин., В
Емкость, пФ di/dt, А/мкс IPP
(8/20 мкс), мин., А
ITSM
(50/60 Гц), мин., А
P0640FNL 58 77 50 800 2,2 4 250…550 330 3000 300
P0720FNL 65 88 50 800 2,2 4 250…550
P0900FNL 75 98 50 800 2,2 4 250…550
P1100FNL 90 130 50 800 2,2 4 250…450
P1300FNL 120 160 50 800 2,2 4 250…450
P1500FNL 140 180 50 800 2,2 4 250…450
P1900FNL 155 220 50 800 2,2 4 250…450
P2300FNL 180 260 50 800 2,2 4 250…450
P2600FNL 220 300 50 800 2,2 4 250…450
P3100FNL 275 350 50 800 2,2 4 250…450
P3500FNL 320 400 50 800 2,2 4 250…450
P3800FNL 350 430 50 800 2,2 4 250…450

Pxxx0ME – серия тиристоров с импульсным током 5 кА (импульсы 8/20 мкс IPP) и пиковым током 400 А в сетях 50/60 Гц. Представители семейства могут использоваться в диапазоне рабочих напряжений (VDRM) 140…450 В (таблица 3). Тиристоры Pxxx0FNL выпускаются в корпусном исполнении TO-218.

Таблица 3. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0ME

Наименование VDRM (lDRM = 5 мкА), мин, В VS
(100 В/мкс), мин, В
Ih мин., мА Is мин., мА It мин., А Vt
(при lt = 2,2 А), мин., В
Емкость, пФ di/dt, А/мкс IPP
(8/20 мкс), мин., А
ITSM
(50/60 Гц), мин., А
P1500MEL 140 180 50 800 2,2/25 4 400…650 630 5000 400
P1900MEL 155 220 50 800 2,2/25 4 400…650
P2300MEL 180 260 50 800 2,2/25 4 350…600
P3800MEL 350 430 50 800 2,2/25 4 350…500
P4800MEL 450 600 20 800 2,2/25 4 350…500

Если проанализировать характеристики данных семейств, то окажется, что они имеют несколько важных преимуществ перед другими элементами защиты от перенапряжений [1]:

  • чрезвычайно малое напряжение в открытом состоянии по сравнению с газоразрядниками;
  • минимальную разницу между рабочим напряжением и напряжением включения по сравнению с варисторами;
  • высокое значение пиковых токов по сравнению с TVS-диодами;
  • минимальную зависимость напряжения во включенном состоянии от тока по сравнению со всеми другими типами защитных элементов.

Рассмотрим особенности и примеры использования тиристоров SIDACtor.

Типовая схема защиты на базе тиристоров SIDACtor

Типовая схема защиты устройства, питающегося от сети переменного напряжения, предполагает использование последовательного предохранителя и тиристора, включенного параллельно нагрузке (рисунок 5) [2]. В штатном режиме работы при отсутствии помех тиристор и предохранитель никак не влияют на работоспособность схемы. Как уже было сказано выше, при возникновении перенапряжения тиристор включается и переходит в проводящее состояние, близкое к короткому замыканию. Предохранитель необходим для защиты самого тиристора от перегрузки по току. Таким образом, схема обеспечивает защиту от перенапряжений и перегрузок по току при включении тиристора.

Рис. 5. Тиристорная защита устройства, питающегося от сети переменного напряжения [2]

В предложенной схеме предохранитель выбирается, исходя из максимального тока тиристора IТSM. Если необходимо обеспечить токовую защиту не только при включении тиристора, но и при возникновении КЗ на устройстве, применяют схему с двумя предохранителями (рисунок 6). Номинал предохранителя в цепи тиристора определяется по максимальному току IТSM, а предохранитель в цепи нагрузки выбирается с учетом максимального тока потребления нагрузки. При этом связка из тиристора и предохранителя обеспечивает защиту от перенапряжения не только для устройства, но и для второго предохранителя.

Рис. 6. Тиристорная схема защиты с дополнительным предохранителем [2]

На рисунке 7 представлена демонстрационная тиристорная схема защиты на базе P3800MEL.

Рис. 7. Демонстрационная тиристорная схема защиты на базе P3800MEL [2]

На рисунке 8а изображен отклик демонстрационной схемы на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при отсутствии подключения к сети переменного напряжения. Оранжевым цветом показан импульс перенапряжения 3 кА 8/20 мкс, синим – отклик тиристора P3800MEL. Включение P3800MEL происходит при 272 В, после чего напряжение падает ниже 30 В.

На рисунке 8б показан отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при подключении к сети переменного напряжения. Напряжение на тиристоре при включении падает ниже 10 В (осциллограмма синего цвета). Ток через тиристор достигает пикового значения 278 А (осциллограмма оранжевого цвета) и определяется во многом импедансом сети и мощностью источника питания. Стоит отметить, что указанный ток не способен повредить тиристор P3800MEL, так как не превышает максимально допустимого значения IТSM (50/60 Гц), равного 400 А (таблица 3).

Рис. 8. Отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс: а) без подключения к сети; б) при подключении к сети [2]

Типовая схема защиты на базе тиристоров SIDACtor

Тиристоры Pxxx0FNL и Pxxx0ME могут использоваться совместно с варисторами [2]. Такое решение дает целый ряд преимуществ. В частности, при их последовательном включении удается достичь малого напряжения ограничения. Поясним это на конкретном примере.

На рисунке 9 представлена защитная цепочка, состоящая из тиристора P2300MEL с рабочим напряжением 180 В, варистора V20E130P с рабочим напряжением 130 В и предохранителя. Данная схема обеспечивает защиту от перенапряжений и перегрузки по току.

Рис. 9. Схема защиты с низким напряжением ограничения на базе тиристора P2300MEL и варистора V20E130P [2]

На рисунке 10а представлен отклик рассматриваемой схемы на воздействие импульса 3 кА (8/20 мкс) без подключения к сети переменного напряжения. Как видно из диаграммы, напряжение ограничения составило 425 В, что значительно выше, чем напряжение тиристора P2300MEL в открытом состоянии (менее 30 В). Это достаточно ожидаемый результат, так как итоговое напряжение ограничения складывается из напряжения ограничения варистора и напряжения тиристора в открытом состоянии. Если бы для защиты использовался только варистор, то напряжение ограничения было бы гораздо выше. Действительно, для сетевого напряжения 240 В пришлось бы выбрать варистор V20E275P, для которого напряжение ограничения превышает 900 В. Очевидно, что не каждое устройство способно сохранить работоспособность даже при кратковременном воздействии такого импульса.

Снижение напряжения ограничения является далеко не единственным преимуществом комбинированной схемы. На рисунке 10б представлен отклик рассматриваемой схемы на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при подключении к сети переменного напряжения. Пиковый ток в цепи тиристора при включении защиты составил 42,3 А, что значительно меньше, чем при использовании одиночного тиристора (278 А, рисунок 9). Более того, связка из варистора и тиристора отличается гораздо более низким током утечки по сравнению с одиночным варистором, а это позволяет значительно продлить срок службы варистора.

Рис. 10. Отклик схемы защиты на базе тиристора P2300MEL и варистора V20E130P на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс: а) без подключения к сети; б) при подключении к сети [2]

Кроме обычных варисторов, компания Littelfuse выпускает и варисторы со встроенным термопрерывателем, который размыкает цепь при разогреве, тем самым увеличивая срок службы варистора. При использовании такого компонента комбинированная схема защиты останется практически без изменений (рисунок 11).

Рис. 11. Схема защиты на базе тиристора и варистора с тепловой защитой [2]

Применение тиристора позволяет значительно улучшить традиционную варисторную схему. Такое решение востребовано не только при защите устройств, подключаемых к бытовой сети, но и в схемах заряда аккумуляторов в электромобилях и автомобилях с гибридной силовой установкой, в двух- и трехфазных инверторах напряжения в источниках питания, в инверторах для солнечных батарей.

Не стоит забывать, что тиристор имеет ограничение по пиковому току, и в ряде случаев в схеме требуется предусмотреть дополнительный предохранитель.

Расчет предохранителя для защиты тиристора от перегрузки по току

Исходя из логики работы схемы, предохранитель должен выдерживать суммарный ток сети и импульса 3 кА 8/20 мкс, но включаться до того как будет превышено допустимое для тиристора значение. В этом случае предохранитель будет разрывать цепь только в тех случаях, когда необходимо защитить тиристор. Выбор предохранителя удобнее всего делать с учетом величины I²t.

Рассмотрим конкретный пример выбора предохранителя для представленной выше комбинированной схемы (рисунок 9) [2].

Для импульса тока 3 кА 8/20 мкс величина I²t может быть оценена с использованием пиковых значений тока:

I²t = ½·Ipeak·Ipeak·t = ½·3000·3000·20·10-6 = 90 A²c.

Для составляющей тока сети:

I²t = ½·Ipeak·Ipeak·t = ½·43·43·0,01 = 9,245 A²c.

Суммарное значение I²t: 90 A²c + 9,245 A²c = 99,245 A²c.

Далее необходимо учесть фактор снижения I²t при воздействии серии импульсов. Например, при воздействии 100 000 импульсов следует использовать коэффициент 0,22 (рисунок 12). Для защиты от перенапряжений обычно речь идет о десятках импульсов и коэффициенте 0,48.

Таким образом, для предохранителя рейтинг I²t должен быть больше, чем 99,245/0,22 = 451 A²c.

Рис. 12. Снижение I²t при воздействии серии импульсов

Для выбранного тиристора значение тока IТSM (50/60 Гц) составляет 400 А (таблица 3). Тогда максимальная величина I²t равна ½·400·400·0,01 = 800 A²c.

Очевидно, что расчетное значение I²t 451 A²c меньше, чему у выбранного тиристора (800 A²c). Таким образом выбор предохранителя из диапазона 451…800 A²c гарантирует защиту тиристора от перегрузки по току и отсутствие ложных срабатываний.

Для проверки выбора MOV необходимо вычислить энергию импульса. В нашем случае это (1/√2)·U·I·t = 0,71·250·3000·20·10-6 + 0,71·250·43·0,007 = 10,65 + 53,43 = 64,08 Дж.

Для используемого варистора V20E130P допустимая энергия оказывается выше и составляет 100 Дж.

В итоге предохранитель с рейтингом 250 В AC и с I²t на уровне 451 A²c не будет влиять на работу схемы в штатном режиме, но защитит тиристор при возникновении помехи. Компания Littelfuse предлагает несколько моделей предохранителей, отвечающих предъявляемым требованиям (таблица 4).

Таблица 4. Модели предохранителей Littelfuse с рейтингом I²t более 451

Типоразмер, мм IEC UL
5×20 216016 (462,4 A²c) 215012 (515,5 A²c)
6,3×32 314020/324020 (631 A²c) 325020/326020 (5575 A²c)

Заключение

Использование тиристоров SIDACtor серий Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА производства компании Littelfuse является одним из эффективных способов защиты от мощных помех, возникающих в цепях переменного напряжения. Главными достоинствами этих компонентов являются минимальное напряжение в открытом состоянии, рекордно малое время включения, высочайшая стабильность напряжения включения и отличная временная стабильность.

Тиристоры SIDACtor вместе с дополнительными предохранителями позволяют выполнять защиту устройств от перенапряжений и перегрузок по току.

Комбинированная схема из варистора и тиристора оказывается более эффективной, чем традиционная варисторная защита. При использовании комбинированного решения удается снизить ток утечки, продлить жизнь варистора и получить более низкое напряжение ограничения.

Литература

  1. Application Note: High Power Semiconductor Crowbar Protector for AC Power Line Applications. 2017, Littelfuse;
  2. Electronics Circuit Protection. Product Selection Guide. 2013, Littelfuse;
  3. Вячеслав Гавриков. Газоразрядники Littelfuse: там, где полупроводники бессильны. НЭ, №12, 2014;
  4. Антон Стильве. Варистор варистору рознь: надежная защита от скачков напряжения. НЭ, №6, 2016;
  5. Вячеслав Гавриков. Полупроводниковая защита: обзор основных серий TVS-диодов от Littelfuse. НЭ, №12, 2014;
  6. http://www.littelfuse.com.

•••

Наши информационные каналы

Тиристоры | Теория твердотельных устройств

Тиристоры - это широкая классификация полупроводниковых устройств с биполярной проводимостью, имеющих четыре (или более) чередующихся слоев N-P-N-P. К тиристорам относятся: кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), TRIAC, выключатель затвора (GTO), кремниевый управляемый переключатель (SCS), диод переменного тока (DIAC), однопереходный транзистор (UJT), программируемый однопереходный транзистор (PUT). В этом разделе рассматривается только SCR; хотя упоминается GTO.

Шокли предложил четырехслойный диодный тиристор в 1950 году.Это было реализовано только спустя годы в компании General Electric. Теперь доступны SCR для регулирования уровней мощности от ватт до мегаватт. Самые маленькие устройства, упакованные как малосигнальные транзисторы, переключают 100 миллиампер при напряжении около 100 В переменного тока. Самые большие упакованные устройства имеют диаметр 172 мм, коммутируют 5600 А при 10 000 В переменного тока. SCR наивысшей мощности может состоять из цельной полупроводниковой пластины диаметром несколько дюймов (100 мм).

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR): (a) профиль легирования, (b) эквивалентная схема BJT.

Кремниевый управляемый выпрямитель представляет собой четырехслойный диод с подключением затвора, как показано на рисунке выше (а). При включении он проводит как диод для одной полярности тока. Если не сработал, он не проводит. Работа объяснена в терминах эквивалента составного подключенного транзистора на рисунке выше (b). Положительный сигнал запуска подается между выводами затвора и катода. Это заставляет транзистор, эквивалентный NPN, проводить. Коллектор проводящего транзистора NPN тянет низкий уровень, перемещая базу PNP в направлении ее напряжения коллектора, что заставляет PNP проводить.Коллектор проводящего PNP тянет вверх, перемещая основание NPN в направлении его коллектора. Эта положительная обратная связь (регенерация) усиливает уже проводимое состояние NPN. Более того, NPN теперь будет проводить даже при отсутствии стробирующего сигнала. Как только SCR проводит, он продолжает работать до тех пор, пока присутствует положительное анодное напряжение. Для показанной батареи постоянного тока это навсегда. Однако тиристоры чаще всего используются с переменным током или пульсирующим постоянным током. Проводимость прекращается с истечением положительной половины синусоиды на аноде.Более того, наиболее практичные схемы SCR зависят от цикла переменного тока, идущего от нуля до отсечки, или коммутирует SCR.

На рисунке ниже (а) показан профиль легирования SCR. Обратите внимание, что катод, который соответствует эквивалентному эмиттеру NPN-транзистора, сильно легирован, как указывает N +. Анод также сильно легирован (P +). Это эквивалентный эмиттер PNP-транзистора. Два средних слоя, соответствующие областям базы и коллектора эквивалентных транзисторов, менее легированы: N- и P.Этот профиль в SCR большой мощности может быть распределен по всей полупроводниковой пластине значительного диаметра.

Тиристоры: (a) поперечное сечение, (b) символ кремниевого управляемого выпрямителя (SCR), (c) символ запорного тиристора (GTO).

Схематические символы для SCR и GTO показаны на рисунках выше (b и c). Основной символ диода указывает на то, что проводимость от катода к аноду однонаправлена, как у диода. Добавление вывода затвора указывает на контроль проводимости диода.Переключатель выключения затвора (GTO) имеет двунаправленные стрелки вокруг вывода затвора, что указывает на то, что проводимость может быть отключена отрицательным импульсом, а также инициирована положительным импульсом.

В дополнение к повсеместно используемым SCR на основе кремния были произведены экспериментальные устройства из карбида кремния. Карбид кремния (SiC) работает при более высоких температурах и обладает большей теплопроводностью, чем любой металл, уступая только алмазу. Это должно позволить использовать устройства с физической мощностью меньше или с большей мощностью.

ОБЗОР:

  • SCR - наиболее распространенный член семейства тиристорных четырехслойных диодов.
  • Положительный импульс, приложенный к затвору SCR, запускает его в проводимость. Проводимость продолжается, даже если стробирующий импульс удален. Проводимость прекращается только тогда, когда напряжение между анодом и катодом падает до нуля.
  • SCR
  • чаще всего используются с источником переменного тока (или пульсирующим постоянным током) из-за непрерывной проводимости.
  • Выключатель затвора (GTO) может быть выключен подачей отрицательного импульса на затвор.
  • Выключатель
  • SCR мегаватт мощности, до 5600 А и 10 000 В.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Тиристорные устройства защиты от перенапряжения (TSPD) Интернет-магазин

Дополнительная информация о силовых тиристорах ...

Что такое силовой тиристор?

Тиристор или кремниевый выпрямитель (SCR) - это твердотельный компонент, который используется для переключения и управления потоком электрического тока. Из-за прочности тиристоров они часто используются в приложениях с большими токами.Тиристоры начнут проводить ток, когда они получат определенное напряжение на своем выводе затвора, и продолжат проводить ток даже после того, как это напряжение будет снято с вывода затвора. Поэтому тиристоры используются в качестве регуляторов тока благодаря этим характеристикам, а также широкому диапазону номинальной мощности.

Типы силовых тиристоров

Существует много различных типов силовых тиристоров. В Future Electronics мы храним многие из наиболее распространенных типов, классифицируемых по напряжению в открытом состоянии, напряжению в закрытом состоянии, току в рабочем состоянии, току в закрытом состоянии, максимальному току срабатывания затвора, типу упаковки и максимальному среднеквадратичному току в открытом состоянии.Параметрические фильтры на нашем веб-сайте могут помочь уточнить результаты поиска в зависимости от требуемых характеристик.

Наиболее распространенные значения для напряжения в открытом состоянии - 1,55 В и 1,6 В. Мы также предлагаем силовые тиристоры с напряжением в открытом состоянии до 1,75 кВ. Напряжение в закрытом состоянии может находиться в диапазоне от 30 В до 2200 В, при этом 600 В является наиболее распространенным значением.

Силовые тиристоры от Future Electronics

Future Electronics предлагает широкий выбор тиристоров полной мощности от нескольких производителей при поиске мощных тиристоров для тиристорной схемы симистора или для любых схем или приложений, для которых может потребоваться силовой тиристор.Просто выберите один из технических атрибутов силового тиристора ниже, и результаты поиска будут быстро сужены в соответствии с потребностями вашего конкретного применения силового тиристора.

Если у вас есть предпочтительный бренд, мы работаем с несколькими. Вы можете легко уточнить результаты поиска мощных тиристоров, щелкнув нужную марку мощных тиристоров ниже в нашем списке производителей.

Применения для силовых тиристоров:

Силовые тиристоры используются в приложениях, где присутствуют высокие напряжения и токи.Обычно они используются для управления переменным током. Силовые тиристоры также могут использоваться в качестве элементов управления для фазных регуляторов.

Выбор правильного силового тиристора:

Когда вы ищете подходящие силовые тиристоры, с помощью параметрического поиска FutureElectronics.com вы можете фильтровать результаты по различным атрибутам: по напряжению в рабочем состоянии (800 мВ, 1,55 В , 1,6 В), напряжение в закрытом состоянии (30 В, 400 В, 600 В, 800 В,…) и максимальный ток срабатывания затвора (от 1 мкА до 150 А) и многие другие.

Вы сможете найти подходящие высокомощные тиристоры для ваших тиристорных схем симистора или для приложений, требующих силовых тиристорных схем.

Силовые тиристоры в упаковке, готовой к производству, или количество для НИОКР

Если количество силовых тиристоров, которое вам требуется, меньше, чем полная катушка, мы предлагаем покупателям многие из наших силовых тиристоров в ламповых или отдельных количествах, которые помогут вам избежать ненужный излишек.

Кроме того, Future Electronics предлагает клиентам уникальную программу таможенных складских запасов, которая предназначена для устранения потенциальных проблем, которые могут возникнуть из-за непредсказуемых поставок продуктов, содержащих необработанные металлы, и продуктов с длительным или нестабильным сроком поставки.Поговорите с ближайшим к вам отделением Future Electronics и узнайте больше о том, как избежать возможного дефицита.

Тиристорный или кремниевый выпрямитель (SCR)

Кремниевый управляемый выпрямитель ( SCR ) представляет собой однонаправленное полупроводниковое устройство, изготовленное из кремния. Это устройство является твердотельным эквивалентом тиратрона и, следовательно, его также называют тиристором или тироидным транзистором . Фактически, SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​- это торговое название, данное тиристору компанией General Electric.По сути, SCR представляет собой трехконтактный четырехслойный полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся слоев материала p-типа и n-типа.

Следовательно, он имеет три pn перехода J 1 , J 2 и J 3 . На рисунке ниже показана SCR со слоями p-n-p-n. Устройство имеет клеммы анод (A), катод (K) и затвор (G). Вывод затвора (G) прикреплен к p-слою ближе к выводу катода (K).

Символ SCR или тиристора показан на рисунке ниже.

SCR можно рассматривать как два взаимосвязанных транзистора, как показано ниже.

Видно, что один SCR представляет собой комбинацию одного pnp-транзистора (Q 1 ) и одного npn-транзистора (Q 2 ). Здесь эмиттер Q 1 действует как анодный вывод SCR, а эмиттер Q 2 - его катод. Кроме того, база Q 1 соединена с коллектором Q 2 , а коллектор Q 1 соединена с базой Q 2 .Вывод затвора SCR также подключен к базе Q 2 .

Работу SCR можно понять, проанализировав его поведение в следующих режимах:

Режим обратной блокировки SCR

В этом режиме SCR имеет обратное смещение путем подключения его анодного вывода (A) к отрицательному концу и катоду клемму (K) к положительному полюсу аккумулятора. Это приводит к обратному смещению контактов J 1 и J 3 , что, в свою очередь, запрещает протекание тока через устройство, несмотря на то, что переход J 2 остается в состоянии прямого смещения.В этом состоянии SCR ведет себя как обычный диод. В этом состоянии обратного смещения через устройство протекает только обратный ток насыщения, как в случае обратного смещения диода, который показан на характеристической кривой синей линией. Устройство также демонстрирует явление обратного пробоя за пределами безопасного обратного предела напряжения, как и диод.

Режим прямой блокировки SCR

Здесь положительное смещение применяется к SCR путем подключения анодного вывода (A) к положительному, а катодного вывода (K) к отрицательному выводу батареи, как показано на рисунке ниже.В этом состоянии переход J 1 и J 3 смещается вперед, а переход J 2 смещается в обратном направлении.

Здесь также ток не может проходить через тиристор, за исключением крошечного тока, протекающего как ток насыщения, как показано синей кривой на характеристической кривой ниже.

Режим прямой проводимости SCR

SCR можно заставить проводить либо
(i), увеличивая положительное напряжение, приложенное к анодному выводу (A), за пределы максимального напряжения прерывания, В B или
(ii) приложить положительное напряжение к клемме затвора (G), как показано на рисунке ниже.

В первом случае увеличение приложенного смещения вызывает пробой первоначально смещенного в обратном направлении перехода J 2 в точке, соответствующей прямому перенапряжению прерывания, V B . Это приводит к внезапному увеличению тока, протекающего через SCR, как показано розовой кривой на характеристической кривой, хотя вывод затвора SCR остается несмещенным.

Однако, тиристор может также включаться при гораздо меньшем уровне напряжения, обеспечивая небольшое положительное напряжение на выводе затвора.Причину этого можно лучше понять, рассмотрев эквивалентную схему транзистора SCR, показанную на рисунке ниже.

Здесь видно, что при подаче положительного напряжения на вывод затвора транзистор Q 2 включается, и ток его коллектора течет в базу транзистора Q 1 . Это приводит к включению Q 1 , что, в свою очередь, приводит к протеканию тока его коллектора на базу Q 2 .

Это вызывает насыщение любого транзистора с очень высокой скоростью, и действие не может быть остановлено даже путем устранения смещения, приложенного к выводу затвора, при условии, что ток через SCR больше, чем ток фиксации.Здесь ток фиксации определяется как минимальный ток, требуемый для поддержания тринистора в проводящем состоянии даже после удаления импульса затвора.

В таком состоянии говорят, что тиристор зафиксирован, и не будет никаких средств для ограничения тока через устройство, кроме как с помощью внешнего импеданса в цепи. Это требует использования различных методов, таких как естественная коммутация, принудительная коммутация или отключение обратного смещения и отключение затвора, чтобы выключить проводящий тиристор.

В основном, все эти методы направлены на снижение анодного тока ниже тока удержания. Ток удержания определяется как минимальный ток для поддержания SCR в проводящем режиме.

Подобно методам выключения, существуют также различные методы включения для SCR, такие как запуск сигналом затвора постоянного тока, запуск сигналом затвора переменного тока и запуск импульсным сигналом затвора, запуск по прямому напряжению, запуск затвора, dv / dt Запуск, запуск по температуре и световой запуск.

Существует множество вариантов устройств SCR, а именно: тиристор с обратной проводимостью (RCT), тиристор с выключенным затвором (GTO), тиристор с отключением с помощью затвора (GATT), асимметричный тиристор, тиристоры со статической индукцией (SITH), MOS Controlled Тиристоры (MCT), светоактивные тиристоры (LASCR) и т. Д. Обычно тиристоры имеют высокую скорость переключения и могут выдерживать сильный ток. Это делает тиристор (SCR) идеальным для многих приложений, таких как

  1. Цепи переключения питания (для переменного и постоянного тока)
  2. Цепи переключения при нулевом напряжении
  3. Цепи защиты от перенапряжения
  4. Управляемые выпрямители
  5. Инверторы
  6. Управление мощностью переменного тока (включая фары, двигатели и т. д.)
  7. Импульсные цепи
  8. Регулятор заряда батареи
  9. Блокировочные реле
  10. Логические схемы компьютера
  11. Блоки дистанционного переключения
  12. Контроллеры с синхронизацией по фазе
  13. Цепи синхронизации
  14. Цепи срабатывания ИС
  15. Управление сварочными аппаратами

Тиристор против симистора - celduc® relais

В переключающих твердотельных реле

переменного тока используются тиристоры и симисторы переменного тока в качестве встроенного устройства переключения выходов.В чем разница между симисторами и тиристорами?


Принцип работы тиристоров и симисторов

Тиристор (или SCR)

Тиристор , также называемый SCR, означает кремниевый управляемый выпрямитель.

Это полупроводниковое переключающее устройство с двумя выводами питания, называемыми анодом (A) и катодом (K), и одним выводом управления, называемым затвором (G).

Как диод, ток может течь только в одном направлении, от анода к катоду.Поэтому для работы от сети переменного тока решением является использование 2 тиристоров, соединенных спина к спине:


Запуск тиристора осуществляется подачей импульса тока, положительно циркулирующего от затвора к катоду

.

Фиксация тиристора (для переключения тиристора во включенное состояние) после импульса тока затвора может произойти только после того, как:
- напряжение между анодом и катодом положительное
- ток между анодом и катодом после триггера превышает Ток фиксации .

При указанных выше условиях тиристор остается включенным даже при отсутствии тока на затворе (эффект памяти).

Защелку можно сбросить ( Тиристор выключается ) в 2 случаях:
- поскольку ток между анодом и катодом падает ниже Ток удержания
- Поскольку напряжение между анодом и катодом становится отрицательным

Симистор

TRIAC означает TRIode для переменного тока.

Хотя он имеет такое же поведение срабатывания и фиксации по сравнению с тиристором, он отличается тем, что он может переключаться на проводимость в обоих направлениях напряжения / тока в ответ на положительный или отрицательный сигнал затвора.

Thyistor и Triac - полупроводниковые приборы

Поскольку они являются полупроводниковыми приборами, они не могут обеспечить гальваническую изоляцию, когда ими не управляют. Они могут даже иметь опасный ток утечки в выключенном состоянии. Кроме того, пробой часто приводит к их короткому замыканию, позволяя току течь к нагрузке.

Это важный аспект, который необходимо учитывать для обеспечения безопасности при проектировании системы в случае отказа или обслуживания: пользователь должен обеспечить возможность гальванической развязки SSR и нагрузочной части цепи с помощью контактора или MCB.

В этом случае используется симистор или тиристоры, включенные задними сторонами друг к другу: стандартное применение

Симисторы

основаны на одной кремниевой микросхеме, тогда как соединенные спиной к задней части тиристоры представляют собой 2 отдельных кремниевых кристалла.
Это физическое различие играет роль с точки зрения коммутационной способности по току :
Для токов нагрузки до 25 А симистор - хорошее и легкодоступное решение. возможность переключения высокой мощности.

Если у вас возникнут какие-либо вопросы, свяжитесь с нашими техническими специалистами и отделом продаж.

Тиристоры, Тиристор PPT, 3-фазный тиристорный регулятор мощности

Тиристоры играют важную роль в схемах как твердотельные переключающие устройства, идеально подходящие для работы с более высокими токами, для которых транзисторы не подходят. Эти мощные двухпозиционные переключатели идеально подходят для использования в промышленном оборудовании и для построения самых разнообразных схем.

Доступно несколько типов тиристоров, включая модули с двумя тиристорами и трехфазные тиристорные регуляторы мощности, каждый со своими характеристиками, разработанными для дополнения определенных приложений.

В нашем обширном ассортименте вы можете найти тиристоры, соответствующие вашим спецификациям, от ведущих производителей тиристоров, таких как Vishay, STMicroelectronics и NTE Electronics. Просто отфильтруйте свой поиск по параметрам, с которыми вы будете работать, и выберите идеальный компонент, который соответствует вашим критериям.

Что такое тиристор?

Тиристор - это четырехслойное полупроводниковое переключающее устройство с тремя переходами, используемое в цепях с большим током. Он состоит из трех электродов: анода (положительный вывод), катода (отрицательный вывод) и затвора.

Затвор является основным управляющим выводом, в то время как основной ток протекает между анодом и катодом. Вывод затвора используется для запуска тиристора путем подачи небольшого напряжения на этот вывод и выключается, когда напряжение на аноде-катоде снова падает до нуля.

Общий эффект, достигаемый с помощью тиристора, заключается в создании схемы фиксации - схемы, которая имеет два стабильных состояния (0 или 1, или выключено и включено).

Как работает тиристор?

Стандартные тиристоры - это однонаправленные устройства, похожие на диоды, что означает, что ток течет только в одном направлении.Он состоит из трех последовательно соединенных P-N-переходов, так как имеет четыре слоя. Эти переходы, как и многие дискретные полупроводники, изготовлены из материалов N-типа и P-типа.

Материал N-типа легирован элементом с электронами для увеличения количества электронов с отрицательным зарядом. Материал P-типа легирован аналогичным образом, в результате чего электроны, несущие заряд, заряжаются положительно. Используя чередующиеся слои материала P- и N-типа, создается полупроводниковое тиристорное устройство.

Работа тиристора

Когда через клемму затвора в тиристор не течет ток, устройство остается в выключенном состоянии. Поскольку центральное соединение трех электродов перевернуто, противоположно аноду и катоду, ток не может проходить через устройство ни в каком направлении. Это называется режимом прямой блокировки или режимом отрицательной блокировки, в зависимости от того, из какого направления будет исходить ток.

Для протекания тока через тиристор анод должен быть положительным, а катод - отрицательным.Как только пороговое значение для тока затвора достигнуто и запускается, положительный и отрицательный заряд перемещается через четыре слоя. Это активирует каждый слой полупроводника один за другим, пока все они не станут активными.

После активации каждого из четырех слоев ток может проходить через устройство. Это означает, что тиристор теперь находится в режиме прямой проводимости и зафиксирован, что означает, что он перешел во включенное состояние. В этом случае тиристор будет оставаться заблокированным до тех пор, пока не отключится внешний ток.

Типы тиристоров

Подавляющее большинство тиристоров, которые вы встретите, будут трехвыводными, что означает, что они имеют три электрода - анод, катод и затвор, как упоминалось ранее. Вы также можете найти две модели отведений с двумя электродами, которые позволяют току течь, когда разница в заряде превышает порог напряжения отключения.

Вот некоторые из основных типов тиристоров, которые вы обычно встретите при работе со схемами:

  • Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)

Тиристор SCR - это наиболее распространенная форма тиристора, с которой вы столкнетесь.Термин «кремниевый выпрямитель» стал настолько известен, что тиристор стал практически синонимом термина «тиристор».

Когда затвор снимается, тиристоры SCR остаются заблокированными, при этом ток должен быть снят или анод сбрасывается на отрицательное напряжение для разблокировки. Когда анодный ток становится равным нулю, SCR останавливает обратное напряжение и блокирует проводимость.

Тиристор GTO отличается от того, как работают стандартные тиристоры, поскольку он может быть отключен с помощью отрицательного тока, подаваемого на затвор, что устраняет необходимость прекращения протекания тока.Его можно переключить в выключенное состояние с помощью стробирующего сигнала с отрицательной полярностью, что означает, что им можно управлять.

Симметричные тиристоры GTO имеют обратную блокирующую способность, сравнимую с их номинальными значениями прямого напряжения. Асимметричные тиристоры GTO не обладают значительной способностью блокировки обратного напряжения и являются наиболее популярной формой GTO, применяемой сегодня.

  • Триод для переменного тока (TRIAC)

TRIACS - вторая по распространенности форма тиристоров после SCR.Они используют мощность более эффективно, позволяя управлять любой стороной переменного сигнала.

Однако симметричные преобразователи частоты обычно используются только для приложений с низким энергопотреблением из-за их несимметричной конструкции. Они также обладают некоторыми недостатками при переключении при разных напряжениях затвора в течение каждого полупериода.

  • Тиристоры с фазовым управлением (PCT)

Тиристоры являются привлекательными вариантами, когда дело доходит до применения в токовых клапанах с фазовым управлением при преобразовании переменного тока в постоянный и постоянного в переменный.

Они полезны для попыток управления высокой энергией и током, поскольку они будут работать на низких частотах в своем проводящем состоянии с низкими потерями.

Тиристоры с фазовым управлением достигают этого ограничения по току, переводя оборудование в проводящее состояние и выходя из него через равные промежутки времени.

Для чего используются тиристоры?

Тиристоры в основном используются для управления электрической мощностью и токами из-за того, что они работают как сверхмощный переключатель, выдерживая высокие токи и напряжение, будучи маленьким и легким компонентом.

Различные типы тиристоров используются в определенных промышленных приложениях:

  • тиристоры используются в схемах переключения, приводах двигателей постоянного тока, статических переключателях переменного / постоянного тока и инвертирующих схемах.
  • GTO используются в инверторах большой мощности, приводах двигателей постоянного и переменного тока, а также в стабилизаторах переменного тока.
  • TRIAC используются в качестве регуляторов скорости для электрических вентиляторов / двигателей, регуляторов освещенности и компьютеризированных схем управления бытовой техникой.

Тиристоры также используются в устройствах защиты от перенапряжения, системах контроля давления и выключателях зажигания транспортных средств.

Поставка качественных тиристоров напрямую вам

Наша цель - поставлять нашим клиентам электронные компоненты высочайшего качества, будь то тиристоры или другие формы дискретных полупроводников. Это было нашим руководящим принципом на протяжении более 90 лет, в течение которых мы были одним из самых надежных дистрибьюторов электрических компонентов и электромеханической продукции в Северной и Южной Америке.

Вы можете посетить наш экспертный центр, чтобы получить совет от наших постоянных экспертов по электронике, или вы можете отправить любые запросы в местный офис продаж.Если вы планируете создать более крупный заказ, все, что вам нужно сделать, это заполнить одну из наших форм заказа запчастей, и мы сможем разработать индивидуальное ценовое предложение, чтобы предложить вам наилучшую возможную сделку.

Тиристор

Тиристор - это твердотельный полупроводниковый прибор, состоящий из четырех чередующихся слоев материала N-типа и P-типа. Многие источники считают, что тиристоры аналогичны выпрямителям с кремниевым управлением (SCR). В некоторых случаях они определяются как большая группа устройств - критерием приемлемости является то, что устройство должно состоять как минимум из 4 слоев чередующегося материала N и P-типа.Тиристор функционирует как бистабильный переключатель, что означает, что он начинает проводить, когда его затвор получает импульс тока. Он проводит до тех пор, пока напряжение в устройстве не изменится на противоположное, то есть пока оно не перейдет в состояние прямого смещения. Тиристоры отключаются только тогда, когда прямой ток падает до нуля.

Типы тиристоров включают:

  • Кремниевый выпрямитель (SCR)
  • Тиристор выключения затвора (GTO)
  • Триодный переключатель переменного тока (TRIAC)
  • Транзистор / тиристор статической индукции (SIT / SITh)
  • Тиристор с МОП-управлением (MCT)
  • Распределенный буфер - тиристор выключения затвора (DB-GTO)
  • Тиристор со встроенным затвором (IGCT)
  • MOS композитный статический индукционный тиристор / CSMT
  • Тиристор с обратной проводимостью (RCT)

История

Уильям Шокли выдвинул концепцию выпрямителя с кремниевым управлением (SCR) в 1950 году.Он получил поддержку от Молла и других инженеров Bell Labs. Вслед за этим инженеры-энергетики из General Electric (G.E.), которые находились под руководством Гордона Холла, создали SCR в 1956 году. Вскоре последовало коммерческое производство, которое стало возможным благодаря усилиям Фрэнка В. «Билла» Гуцвиллера из G.E.

Как работает тиристор?

Тиристор - это трехполюсный полупроводниковый прибор, состоящий из четырех чередующихся слоев материалов N-типа и P-типа.Пример расположения - P-N-P-N. Основные выводы тиристора, которые называются катодом и анодом, распределены по всем четырем слоям. Затвор, который является управляющим выводом тиристора, прикреплен только к материалу P-типа, расположенному рядом с катодом. Существует также вариант, известный как кремниевый управляемый коммутатор (SCS), который подключает все четыре уровня к клеммам.

Тиристоры чаще всего используются в цепях переменного тока (AC), где прямой ток падает до нуля в течение каждого цикла, обеспечивая его выключение каждый раз.Однако это также означает, что ворота необходимо активировать во время каждого цикла, чтобы снова включить их. Синхронизация этих двух функций позволяет тиристорам эффективно работать в качестве регуляторов мощности. При включении тиристора в начале положительного скачка напряжения источника переменного тока его прямая проводимость имеет наибольшую продолжительность, что приводит к максимальной подаче мощности. И наоборот, когда тиристор включается в конце положительного отклонения, время проводимости минимально, что приводит к минимальной подаче мощности.Какими бы эффективными ни были тиристоры в среде переменного тока, они совершенно бесполезны при использовании с постоянным током (DC), где нет изменения полярности, за исключением нескольких приложений защиты.

Функцию тиристора можно разделить на три состояния:

1. Режим обратной блокировки - Напряжение подается в направлении, которое будет препятствовать диод.

2. Режим прямой блокировки - Напряжение подается в направлении, в котором диод будет проводить, но тиристор ожидает триггера, чтобы начать проводить.

3. Режим прямой проводимости - тиристор теперь запускается на проводимость и продолжает проводить до тех пор, пока прямой ток не упадет ниже порогового значения, называемого током удержания.

Выходной терминал

Три P-N перехода тиристора последовательно названы в соответствии с анодом как J 1 , J 2 и J 3 . Когда анод находится под положительным потенциалом (V AK ) относительно катода и на затвор не подается напряжение, J 1 и J 3 находятся в режиме прямого смещения, а J 2 - в режиме прямого смещения. в обратном смещении, которое останавливает проводимость.Это состояние ВЫКЛ. В случае, когда В АК превышает напряжение пробоя В ВО тиристора, тиристор начинает проводить ток из-за лавинного пробоя перехода J 2 . Это состояние ВКЛ.

Когда положительный потенциал В G подается на вывод затвора по отношению к катоду, переход J 2 выходит из строя при более низком значении В AK .Следовательно, тиристор можно перевести в состояние ВКЛ, выбрав правильное значение В G .

После лавинного пробоя тиристор будет продолжать проводить, независимо от напряжения затвора, до:

1. отводится потенциал В G и

2. ток, проходящий через устройство от анода к катоду, меньше тока удержания

Следовательно, V G может быть импульсом напряжения, который можно охарактеризовать с помощью двух факторов: напряжения запуска затвора ( В GT ) и тока запуска затвора ( I GT ).Изменение тока запуска затвора обратно пропорционально ширине импульса затвора, что дает понять, что для запуска тиристора необходим минимальный заряд затвора.

Приложения

Тиристоры в основном используются с переменными токами, изменение полярности которых приводит к автоматическому отключению устройства. Эта операция известна как Zero Cross. Они используются в качестве контроллеров, запускающих фазовые углы, более известные как контроллеры с фазовым возбуждением. В блоке питания цифровых схем они играют роль выключателей и предотвращают повреждение компонентов системы в случае сбоя питания.В таких системах к затворам тиристоров присоединен стабилитрон. Когда напряжение превышает напряжение стабилитрона, это приводит к тому, что тиристор проводит ток и размыкает цепь, действуя как входной предохранитель.

Тиристоры были коммерциализированы в начале 1970-х годов в устройствах, которые стабилизировали источник питания в цветных телевизорах. Они стали совершенно непопулярны среди источников питания переменного тока, поскольку одновременное переключение нескольких телевизоров примерно в одно и то же время привело к асимметрии формы сигнала источника питания.Это вынудило постоянный ток обратно в сеть, что привело к насыщению сердечника трансформатора и перегреву. В результате тиристоры вскоре отказались от такого использования.

12 тиристоров различных типов

Тиристоры - это высокоскоростные полупроводниковые переключающие устройства, состоящие из четырех слоев чередующихся материалов p- и n-типа. Они используются в приложениях переключения переменного / постоянного тока и управления мощностью переменного тока. Символ тиристора - это символ диода, который имеет три вывода: затвор, анод и катод.

Различные типы тиристоров и их обозначения

Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR)

Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR)

- один из наиболее часто используемых тиристоров. Это высокоскоростные полупроводниковые коммутационные устройства. Они похожи на диоды Шокли, но с дополнительной клеммой. Материал, выбранный для изготовления SCR - кремний. SCR работает как кремниевый выпрямительный диод с анодом и катодом.

Анод - это положительный вывод, а катод - отрицательный вывод SCR.Он состоит из четырех слоев чередующегося материала типа P и N. Он также имеет дополнительный терминал управления, называемый воротами. Наличие затвора позволяет активировать SCR в проводимости. Это однонаправленное устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении и противодействует потоку в противоположном направлении.

SCR может быть включен либо при превышении напряжения прямого прерывания, либо при токе затвора. Ток затвора контролирует величину перенапряжения прямого разрыва, необходимого для включения тиристора.

Напряжение / импульс триггера прикладывается к выводу затвора, когда анод и катод смещены в прямом направлении. Это переключает SCR в «проводящее» состояние. Затем ток течет между анодом и катодом. Когда тиристор проводит ток триггера, он будет продолжать течь, даже если клемма затвора будет удалена. Когда анод и катод находятся в обратном смещении, тиристор не будет проводить, даже если на вывод затвора будет подан пусковой импульс.

Подробнее: Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) подробно

Тиристор с двунаправленным управлением (BCT)

В двунаправленном тиристоре управления используются два тиристора SCR, которые имеют антипараллельную конфигурацию, образуя единое устройство.Как видно из конструкции, он имеет два отдельных вывода затвора для каждого из тиристоров. Один вывод затвора включает ток в прямом направлении, а второй вывод затвора включает ток в противоположном направлении.

Два тиристора работают независимо друг от друга. Одной из основных проблем, с которыми пришлось столкнуться при создании BCT, были перекрестные помехи между обоими транзисторами. Поэтому была создана фотошаблона для предотвращения воздействия вредных перекрестных помех при работе BCT.

Затвор выключения тиристора (GTO)

Символ GTO

Тиристор выключения затвора - это тип тиристора, который может включать и выключать основной ток с помощью схемы управления затвором. GTO состоит из двух слоев материала P-типа и двух слоев материала N-типа в формате PNPN. Они используются в сильноточных и высокоскоростных коммутационных устройствах, в том числе в цепях прерывателей и инверторах.

В тиристорах этого типа слой n + на катодном конце сильно легирован.Это увеличивает эффективность эмиттера, что приводит к низкому напряжению пробоя на переходе 3. Для поддержания высокой эффективности эмиттера уровень легирования затвора p-типа является низким. Переход между анодом P + и базой N также известен как анодный переход.

Для того, чтобы GTO оставался в состоянии «ВКЛ», анодная область P + должна быть сильно легирована. Это обеспечивает более высокий КПД на анодном переходе. Он включается, когда на вывод затвора подается положительное напряжение. Его также можно выключить при подаче отрицательного напряжения на вывод затвора.Устройство не защелкивается и требует не менее 1% триггерного напряжения, чтобы оставаться в состоянии проводимости.

Однако, когда GTO имеет сильно легированную анодную область P, то возможности выключения становятся скомпрометированными. Чтобы тиристор имел хорошие отключающие свойства, легирование области затвора P + и слоя N + между анодом должно быть сильно легированным.

MOS Тиристор выключения (MTO)

Чтобы преодолеть ограничения GTO, Silicon Power Company разработала MOS Turn-Off Thyristor или MTO, объединив GTO и MOSFET.MTO обеспечивает те же функции, что и GTO, но для включения и выключения требуется только напряжение уровня сигнала. Кроме того, структура MCT почти аналогична структуре GTO.

Тиристор с МОП-управлением (MCT)

Тиристор, управляемый МОП, представляет собой полупроводниковое устройство, которое объединяет ток и напряжение тиристора с включением или выключением затвора МОП. Это высокочастотное устройство с низким падением проводимости и высокой мощностью, которое используется в приложениях средней и высокой мощности.

Структура имеет три перехода: анод, катод и затвор. Слои PNPN зажаты между анодом и катодом. Тиристор включается при подаче отрицательного триггерного напряжения на затвор по отношению к аноду. Он будет отключен, когда на затвор по отношению к аноду будет приложено положительное триггерное напряжение. Он подходит для таких приложений, как моторные приводы, статические VAR-компенсаторы, источники бесперебойного питания и т. Д.

Светоактивированный кремний - управляемый выпрямитель (LASCR)

LASCR - это тип SCR, который запускается с помощью источника света, такого как светодиод.Он состоит из трех выводов: катода, анода и затвора. Триггерный ток инициируется через источник света, когда частицы фотона попадают в переход, образуя электронно-дырочные пары. Этот ток запуска подается на LASCR, который активирует клемму затвора, и, следовательно, ток течет через устройство. Это также помогает предотвратить возникновение электрических помех. Цепь питания и цепь источника света электрически изолированы LASCR.

Тиристор изготовлен из кремния.Стеклянная линза в LASCR фокусирует свет от источника света на полупроводниковом устройстве. Таблетка кремния расположена внизу тиристорного устройства. Устройство переходит в состояние проводимости, когда интенсивность света вытесняет электроны в кристалле полупроводника.

Тиристор статической индукции (SITH)

Тиристор статической индукции также известен как диод с полевым управлением. Он позволяет проводить большие токи, которые имеют низкое прямое напряжение и быстро отключаются.Это высокочастотный силовой полупроводниковый прибор.

Символ ситхов

Устройство находится в состоянии «ВКЛ», если анод положительный и напряжение на затворе равно 0. Это заставляет устройство вести себя как диод, в котором ток может течь без каких-либо препятствий. Когда переход P + N смещен в прямом направлении, в область N - вводятся отверстия, что ограничивает проводимость устройства. Слой обеднения блокирует анодный ток, когда затвор находится в обратном смещении относительно катода.Это выключит устройство.

TRIAC

Символ ТРИАК

TRIAC - это трехконтактный тиристор, который при правильной активации может проводить ток в обоих направлениях, что используется в приложениях переключения переменного тока. В TRIAC два тиристора SCR подключены параллельно и в противоположных направлениях друг к другу с общим выводом затвора. Это позволяет ему проводить ток в обоих направлениях при подаче триггерного напряжения.

Тиристор выключения эмиттера (ETO)

Символ ETO

Этот тип тиристора представляет собой гибридное МОП-биполярное полупроводниковое устройство большой мощности, которое состоит из двух полевых МОП-транзисторов N и двух полевых МОП-транзисторов P, а также функций высокого напряжения и тока GTO.N MOS подключается последовательно к катодному выводу, а P MOS подключается между катодом и выводом затвора устройства. Из рисунка видно, что он имеет два вывода затвора.

Один терминал ворот включает устройство, а другой выключает устройство. Положительное напряжение затвора на обоих затворах включает N-MOS и выключает P-MOS, таким образом, включает устройство. Его можно выключить, подав отрицательное напряжение затвора на затвор N-MOS. Это позволяет остаточной несущей проходить через P-MOS, что позволяет быстро переключаться между двумя состояниями.

Тиристор со встроенным затвором (IGCT)

Символ IGCT

IGCT - это выключатель, управляемый затвором, который имеет свойства, аналогичные свойствам транзистора. Его проводимость похожа на тиристор, но он отключается, как транзистор. Потери проводимости для тиристоров этого типа также очень низкие.

В состав IGCT входит тиристор с коммутируемым затвором (GCT). Он имеет многослойную печатную плату, которая управляет схемой. GCT - это переключающее устройство, которое использует быстрый и большой импульс тока для отвода тока от катода GCT.Это обеспечивает «быстрое выключение». Для проведения реактивной нагрузки в GCT присутствует встроенный диод. Для включения IGCT необходимо обеспечить ток затвора.

Тиристор с автоматическим выключением ворот (GATT)

Этот тип тиристора используется в электронике, требующей быстрого отключения. Отрицательное напряжение затвора применяется для облегчения процесса выключения. Это также снижает напряжение между анодом и катодом. Когда прикладывается обратное напряжение затвора, неосновные носители, накопленные в базовой области n-типа, истощаются.Это гарантирует, что переход затвор-катод не смещен вперед, что ускоряет процесс выключения.

Сравнение разных тиристоров

Тип Управление затвором Частота переключения Максимальное номинальное напряжение
SCR Ток для управления включением и выключением Обычно 60 Гц 1,5 кВ 906 BCT Ток включения и выключения Обычно 60 Гц 6.5 кВ
GTO Ток включения и выключения Обычно 5 кГц 4,5 кВ
MTO Импульс тока для включения и импульс напряжения для выключения Обычно 5 кГц 10 кВ
MCT Два затвора, один для включения и один для выключения Обычно 5 кГц 4,5 кВ
LASCR Световой сигнал включения и выключения управление выключением Обычно 60 Гц 6.5 кВ
SITH Два затвора, один для включения и один для выключения Обычно 100 кГц 2,5 кВ
TRIAC Ток для включения и выключения управления Обычно 60 Гц 1,2 кВ
ETO Два затвора, один для включения и один для выключения Обычно 5 кГц 4,5 кВ
IGCT Два ворот, один для поворота -вкл.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *