Тиристор википедия. Тиристор: принцип работы, виды и применение в электронике

alexxlabРазное
Что такое тиристор и как он работает. Какие бывают виды тиристоров. Для чего используются тиристоры в электронике и электротехнике. Каковы основные характеристики и параметры тиристоров.

Содержание

Что такое тиристор и его основные особенности

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя или более p-n-переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями: закрытым (низкая проводимость) и открытым (высокая проводимость). Основные особенности тиристора:

  • Имеет нелинейную вольт-амперную характеристику с участком отрицательного дифференциального сопротивления
  • Может резко переключаться между закрытым и открытым состоянием
  • После открытия остается в проводящем состоянии даже при снятии управляющего сигнала
  • Закрывается при снижении тока ниже тока удержания
  • Управляется внешним воздействием — напряжением, током или светом

Благодаря этим свойствам тиристор часто используется как электронный выключатель для управления мощной нагрузкой слабыми сигналами.


Структура и принцип действия тиристора

Базовая структура тиристора представляет собой четырехслойный полупроводник p-n-p-n типа с тремя p-n-переходами. Крайние области называются анодом и катодом, а внутренние — базами. Принцип действия основан на регенеративном процессе:

  1. При подаче прямого напряжения средний p-n-переход смещен в обратном направлении и блокирует ток
  2. При увеличении напряжения или подаче управляющего сигнала начинается инжекция носителей заряда через крайние переходы
  3. Это приводит к лавинообразному нарастанию тока и переключению тиристора в открытое состояние
  4. Открытый тиристор имеет малое сопротивление и пропускает большой ток

Для закрытия тиристора необходимо снизить протекающий ток ниже тока удержания.

Основные виды тиристоров

Существует несколько разновидностей тиристоров, различающихся по структуре и способу управления:

Динистор

Простейший тиристор без управляющего электрода. Переключается при достижении напряжения пробоя.

Тринистор

Имеет управляющий электрод, позволяющий включать прибор подачей управляющего импульса. Наиболее распространенный вид тиристоров.


Симистор

Симметричный тиристор, способный проводить ток в обоих направлениях. По структуре аналогичен двум встречно-параллельным тринисторам.

Запираемый тиристор

Может не только включаться, но и выключаться по сигналу на управляющем электроде.

Фототиристор

Управляется световым излучением вместо электрического сигнала.

Вольт-амперная характеристика тиристора

ВАХ тиристора имеет несколько характерных участков:

  • Участок прямого запирания с высоким сопротивлением
  • Точка переключения при достижении напряжения включения
  • Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением
  • Участок прямой проводимости с малым сопротивлением
  • Участок обратного запирания
  • Участок обратного пробоя

Наличие участка с отрицательным сопротивлением обеспечивает резкое переключение тиристора между закрытым и открытым состояниями.

Основные параметры и характеристики тиристоров

Важнейшими параметрами тиристоров являются:

  • Максимально допустимый прямой и обратный ток
  • Максимальное прямое и обратное напряжение
  • Напряжение включения
  • Ток удержания
  • Время включения и выключения
  • Критическая скорость нарастания тока и напряжения
  • Управляющий ток и напряжение
  • Тепловые характеристики

Современные тиристоры могут коммутировать токи до 10 кА при напряжениях до нескольких кВ. Время переключения составляет единицы микросекунд.


Применение тиристоров в электронике и электротехнике

Благодаря способности управлять большой мощностью с помощью слабых сигналов, тиристоры широко используются в силовой электронике и преобразовательной технике:

  • Управляемые выпрямители
  • Инверторы
  • Регуляторы переменного напряжения
  • Устройства плавного пуска двигателей
  • Импульсные источники питания
  • Системы зажигания автомобилей
  • Управление электроприводом
  • Коммутационная аппаратура

Тиристоры позволяют создавать высокоэффективные преобразователи электроэнергии с КПД до 99%.

Преимущества и недостатки тиристоров

Основные достоинства тиристоров:

  • Высокая перегрузочная способность по току
  • Малые потери в открытом состоянии
  • Высокий КПД
  • Простота управления
  • Высокая надежность

К недостаткам можно отнести:

  • Невозможность работы на высоких частотах
  • Сложность выключения (для обычных тиристоров)
  • Чувствительность к скорости нарастания тока и напряжения

Несмотря на недостатки, тиристоры остаются одними из самых распространенных силовых полупроводниковых приборов.


Особенности применения тиристоров в схемах

При использовании тиристоров в электронных схемах необходимо учитывать ряд особенностей:

  • Необходимость ограничения dI/dt и dU/dt для предотвращения самопроизвольного включения
  • Обеспечение надежного выключения за счет снижения тока ниже тока удержания
  • Защита от перенапряжений при выключении индуктивной нагрузки
  • Расчет теплового режима для мощных тиристоров
  • Правильный выбор параметров управляющих импульсов

Соблюдение этих правил позволяет создавать надежные и эффективные устройства на тиристорах.

Перспективы развития тиристорной техники

Несмотря на появление новых типов силовых полупроводниковых приборов, тиристоры продолжают совершенствоваться. Основные направления развития:

  • Увеличение рабочих токов и напряжений
  • Уменьшение времени переключения
  • Повышение устойчивости к dI/dt и dU/dt
  • Создание новых типов управляемых тиристоров
  • Интеграция защитных и управляющих цепей

Это позволит расширить области применения тиристоров и повысить эффективность устройств на их основе.



Симистор | это… Что такое Симистор?

Обозначение на схемах

Эквивалентная схема симистора

Фото современных симисторов

Симиcтop (симметричный триодный тиристор) или триак (от англ. TRIAC — triode for alternating current) — полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тринистора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний — выводом 2 или условным анодом, вывод справа — управляющим электродом.

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Другой особенностью симистора, как и других тиристоров, является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзисторa). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Отсюда следует, что выключение нагрузки происходит вблизи моментов времени, когда напряжение на основных электродах симистора меняет полярность (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети).

Симистор был изобретен в г. Саранске на заводе «Электровыпрямитель» в 1962-1963 г. начальником конструкторского бюро Василенко Валентиной Стефановной. Запатентован в СССР с приоритетом от 22 июня 1963 года, на полгода ранее, чем в США[1].

Содержание

  • 1 Структура
  • 2 Управление
  • 3 Ограничения
  • 4 Примечания
  • 5 Ссылки
  • 6 Литература

Структура

Симистор имеет пятислойную структуру полупроводника. Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы (см. рис.) из двух триодных тиристоров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.

Управление

Для отпирания симистора на его управляющий электрод подаётся напряжение относительно условного катода. Полярность управляющего напряжения, как правило, должна быть либо отрицательной, либо должна совпадать с полярностью напряжения на условном аноде. Поэтому часто используется такой метод управления симистором, при котором сигнал на управляющий электрод подаётся с условного анода через токоограничительный резистор и выключатель. Управлять симистором часто удобно, задавая определённую силу тока управляющего электрода, достаточную для отпирания. Некоторые типы симисторов могут отпираться сигналом любой полярности, хотя при этом может потребоваться больший управляющий ток.

Ограничения

При использовании симистора накладываются ограничения, в частности при индуктивной нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения напряжения (dU/dt) между основными электродами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt. Превышение скорости изменения напряжения на симисторе (из-за наличия его внутренней ёмкости), а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора. Превышение скорости нарастания тока между основными электродами, а также величины этого тока, может привести к повреждению симистора. Существуют и другие параметры, на которые накладываются ограничения в соответствии с предельно-допустимыми режимами эксплуатации. К таким параметрам относятся ток и напряжение управляющего электрода, температура корпуса, рассеиваемая прибором мощность и пр.

Опасность превышения по скорости нарастания тока заключается в следующем. Благодаря глубокой положительной обратной связи переход симистора в открытое состояние происходит лавинообразно, но, несмотря на это, процесс отпирания может длиться до нескольких микросекунд, в течение которых к симистору оказываются приложены одновременно большие значения тока и напряжения. Поэтому, даже несмотря на то, что падение напряжения на полностью открытом симисторе невелико, мгновенная мощность во время открывания симистора может достигнуть большой величины. Это сопровождается выделением тепловой энергии, которая не успевает рассеяться и может привести к перегреву и повреждению кристалла.

Одним из способов защиты симистора от выбросов напряжения при работе с индуктивной нагрузкой является включение варистора параллельно основным выводам симистора. Для защиты симистора от превышения скорости изменения напряжения применяют так называемую снабберную цепочку (RC-цепь), подключаемую аналогично.

Примечания

  1. ↑ История завода «Электровыпрямитель».

Ссылки

  • Симисторы: от простого к сложному
  • сайт «паяльник»
  • сайт завода «Электровыпрямитель».

Литература

  • 1. Э.Кадино «Цветомузыкальные установки» -М.: ДМК Пресс, 2000.
  • 2. Кублановский. Я. С. Тиристорные устройства. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1987. — 112 с.: ил. — (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1104).

Тиристор. Материал для урока. | Статья на тему:

Тиристор.

Материал для урока.

Подготовил Евдокимов П.Е., преподаватель физики и электротехники.

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 30 августа 2011; проверки требуют.

Обозначение на схемах

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Устройство и основные виды тиристоров

               

                                                       Рис. 1

 Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n-структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n-перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n-прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором[1] (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, называемых также диаками (от англ. diac), часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

  • Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.
  • В точке 1 происходит включение тиристора.
  • Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
  • Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).
  • В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток Ih.
  • Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.
  • Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

Режимы работы триодного тиристора

[Режим обратного запирания

   

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

  1. Лавинный пробой.
  2. Прокол обеднённой области.

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис. 3). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины Wn1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше Wn1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения VBF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Двух транзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двух транзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 4 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом J1, и электронов, инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера IE, коллектора IC и базы IB и статическим коэффициентом усиления по току α1 p-n-p транзистора также приведена на рис. 4, где IСо— обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Рис. 4. Двух транзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов и соотношение токов в p-n-p транзисторе.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток Ig втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен IB1 = (1 — α1)IA — ICo1. Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α2 равен IC2 = α2IK + ICo2.

Приравняв IB1 и IC2, получим (1 — α1)IA — ICo1 = α2IK + ICo2. Так как IK = IA + Ig, то

                         

                                                       Рис. 5

Рис. 5. Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояние равновесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости.

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α1 + α2 

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: VAK = V1 + V2 + V3. По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 5, в), и падение напряжения VAK = (V1 — |V2| + V3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p+-i-n+)-диоду…

Отличие динистора от тринистора

Принципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если включение динистора происходит при достижении между выводами анода и катода определённого напряжения, зависящего от типа данного динистора, то в тринисторе напряжение включения может быть специально снижено, путём подачи импульса тока определённой длительности и величины на его управляющий электрод при положительной разности потенциалов между анодом и катодом, и конструктивно тринистор отличается только наличием управляющего электрода. Тринисторы являются наиболее распространёнными приборами из «тиристорного» семейства.

Выключение тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения Ih, либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом. В настоящее время разработан целый класс запираемых тиристоров, которые переходят в закрытое состояние после подачи на управляющий электрод напряжения отрицательной полярности.

Симистор

Симистор (симметричный тринистор) представляет собой тиристор, по своей структуре подобный двум встречно-параллельным тринисторам. Способен пропускать электрический ток в обоих направлениях.

Характеристики тиристоров

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 109 А/с, напряжения — 109 В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; КПД достигает 99 %.

Применение

  • Электронные ключи
  • Управляемые выпрямители
  • Преобразователи (инверторы)
  • Регуляторы мощности (триммеры)
  • CDI
Определение

в кембриджском словаре английского языка

Примеры тиристора

тиристора

В первичной низковольтной цепи это тиристорные выключатели ; во вторичной высоковольтной цепи — газовый разрядник.

Из Кембриджского корпуса английского языка