Запираемый тиристор (GTO): принцип работы, характеристики и применение в силовой электронике

Что такое запираемый тиристор GTO. Как устроен и работает GTO тиристор. Какие преимущества и недостатки у GTO по сравнению с обычными тиристорами. Где применяются GTO тиристоры в промышленности. Каковы основные характеристики современных GTO тиристоров.

Что такое запираемый тиристор (GTO) и его основные особенности

Запираемый тиристор (GTO — Gate Turn-Off thyristor) представляет собой мощный полупроводниковый ключ, способный как включаться, так и выключаться по сигналу управляющего электрода. Это отличает его от обычного тиристора, который может только включаться по управляющему сигналу, а выключается только при снижении тока через него до нуля.

Основные особенности GTO тиристора:

• Четырехслойная структура p-n-p-n с тремя p-n переходами
• Наличие управляющего электрода (затвора) для включения и выключения
• Возможность работы при высоких напряжениях (до 4500 В) и больших токах (до 4000 А)
• Низкие потери в открытом состоянии
• Высокая скорость переключения (единицы-десятки микросекунд)
• Работа на частотах до 500 Гц

Принцип работы запираемого тиристора

Как работает GTO тиристор? Его работа основана на следующих принципах:

1. Включение происходит при подаче положительного импульса тока на управляющий электрод, как у обычного тиристора.
2. В открытом состоянии через GTO протекает большой анодный ток при малом падении напряжения.
3. Для выключения на управляющий электрод подается отрицательный импульс тока, который вытягивает накопленные в базе носители заряда.
4. При этом анодный ток перераспределяется в цепь управления, что приводит к быстрому закрыванию тиристора.

Таким образом, GTO может управляемо выключаться в любой момент времени, что значительно расширяет возможности его применения по сравнению с обычными тиристорами.

Структура и конструкция GTO тиристора

Запираемый тиристор имеет следующую внутреннюю структуру:

• Четыре полупроводниковых слоя p-n-p-n
• Анодный эмиттер p+
• Анодная база n
• Катодная база p
• Катодный эмиттер n+
• Управляющий электрод, соединенный с катодной базой

Особенностью конструкции GTO является катодный эмиттер с решетчатой структурой. Это необходимо для улучшения отключающей способности прибора. Такая конструкция позволяет эффективно извлекать носители заряда из базы при выключении.

Основные характеристики современных GTO тиристоров

Каковы типичные параметры современных GTO тиристоров? Рассмотрим основные характеристики на примере приборов производства компании ABB Semiconductors:

• Максимальное обратное напряжение: 2500-4500 В
• Максимальный средний ток в открытом состоянии: 600-4000 А
• Время выключения: 10-30 мкс
• Частота коммутации: до 500 Гц
• Падение напряжения в открытом состоянии: 2.5-4 В
• Максимальная рабочая температура перехода: 125°C

Как видно, GTO способны работать при очень высоких напряжениях и токах, что делает их незаменимыми в мощной преобразовательной технике.

Преимущества и недостатки GTO тиристоров

Каковы основные плюсы и минусы использования GTO тиристоров? Рассмотрим их преимущества и недостатки:

Преимущества:

• Возможность управляемого выключения в любой момент времени
• Работа при высоких напряжениях и токах
• Низкие потери в открытом состоянии
• Высокая перегрузочная способность по току
• Возможность последовательного соединения для увеличения рабочего напряжения

Недостатки:

• Относительно большие потери при переключении
• Необходимость в мощных драйверах управления
• Ограниченная рабочая частота (до 500 Гц)
• Чувствительность к скорости нарастания напряжения и тока
• Необходимость в защитных цепях

Несмотря на указанные недостатки, уникальные возможности GTO по управлению большими мощностями обеспечили им широкое применение в промышленности.

Области применения запираемых тиристоров

Где используются GTO тиристоры в современной промышленности? Основные области их применения включают:

• Преобразователи частоты для мощных электроприводов
• Источники бесперебойного питания большой мощности
• Статические компенсаторы реактивной мощности
• Преобразователи для индукционного нагрева
• Электровозы и тяговые подстанции
• Высоковольтные линии постоянного тока

Способность GTO работать при высоких напряжениях и токах делает их незаменимыми в этих областях, где требуется управление большими мощностями.

Сравнение GTO с другими типами тиристоров

Как GTO соотносятся с другими типами тиристоров? Рассмотрим основные отличия:

Параметр	GTO	Обычный тиристор	IGCT
Управляемое выключение	Да	Нет	Да
Максимальная частота	До 500 Гц	До 100 Гц	До 2000 Гц
Потери при переключении	Средние	Низкие	Низкие
Сложность управления	Средняя	Низкая	Высокая

Как видно, GTO занимают промежуточное положение между обычными тиристорами и более современными IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor).

Особенности применения GTO тиристоров в силовой электронике

При использовании GTO в силовых схемах необходимо учитывать ряд важных моментов:

• Требуются мощные драйверы управления, способные обеспечить большой ток выключения
• Необходимы снабберные цепи для ограничения скорости нарастания напряжения и тока
• Желательно использовать параллельные диоды для защиты от обратного напряжения
• Следует обеспечить эффективный теплоотвод из-за значительных потерь при коммутации
• Важно правильно выбирать рабочую частоту с учетом динамических характеристик GTO

Соблюдение этих требований позволяет в полной мере реализовать преимущества GTO тиристоров в силовых преобразователях.

Запираемые тиристоры GTO от ABB Semiconductors

Запираемый тиристор (GTO) — это ключ, который может быть выключен или включен посредством управляющего электрода. Для его работы требуется источник тока, а потребляемая им мощность выше, чем у ключей IGBT и IGCT.

Запираемый тиристор (GTO) – высокомощный полупроводниковый ключ, созданный для применения в промышленных целях, в цепях с высокими напряжениями и большими токами. GTO относится к транзисторной электронике, поэтому представляет собой четырехслойную структуру и с тремя переходами (n+pnp+). Они отличаются от обычных тиристоров тем, что приложении отрицательного напряжения к затвору они выключаются, что приводит к протеканию обратного току в цепи управления. Благодаря этому, нет необходимости реверсировать анодное напряжение для эффективного отключения и в результате отпадает необходимость в дорогостоящих коммутационных цепях, применяемых обычно в инверторах на тиристорах и время выключения значительно меньше.

С другой стороны, в проводящем состоянии, GTO работает как обычный тиристор, при этом эмиттера катода инжектирует электроны n+ а эмиттер анода инжектирует дырки p+ в базовую область. Получающаяся в результате платность плазмы очень высока и вследствие чего низкое падение напряжения на GTO по сравнению с диодом. Для улучшения отключающей способности p-n переход между управляющим электродом и катодом должен иметь решетчатую структуру.

Запираемые тиристоры разработаны для низких потерь в проводящем состоянии. Стандартная частота переключения — 200-500 Гц. Время переключения от одного состояния к другому и обратно колеблется от 10 до 30 мкс, поэтому они считаются сравнительно медленными. При выключении всем ключам GTO требуется защита от скорости увеличения прямого напряжения, а при включении — защитная цепь, которая ограничит скорость нарастания прямого тока.

Все запираемые тиристоры (GTO) производятся в таблеточных корпусах. Такая конструкция позволяет им надежно прижиматься к охладителям, которые обеспечивают электрический и тепловой контакт к выводам тиристора.

Standard

Обозначение	V DRM	V DC	V RRM	I TGQM at C S		I TAVM	I TSM		V T	V T0	rT	T VJM	RthJC	RthCH	Fm	Корпус
						T c =85°C	8. 3 мс T VJM	10 ms T VJM	I TGQM T VJM	T VJM
	В	В	В	A	мкФ	A	кA	кA	В	В	мОм	°C	K/кВт	K/кВт	кН
5SGA 15F2502	2500	1400	17	1500	3	570	10. 6	10	2.8	1.45	0.90	125	27	8	15	F
5SGA 20h3501	2500	1400	17	2000	4	830	17. 0	16	2.8	1.66	0.57	125	17	5	20	H
5SGA 25h3501	2500	1400	17	2500	6	830	17. 0	16	3.1	1.66	0.57	125	17	5	20	H
5SGA 30J2501	2500	1400	17	3000	5	1300	31. 0	30	2.5	1.50	0.33	125	12	3	40	J
5SGA 06D4502	4500	2800	17	600	1	195	3. 1	3	4.0	1.90	3.50	125	50	8	10	D
5SGA 20h5502	4500	2800	17	2000	4	710	14. 0	13	3.5	1.80	0.85	125	17	5	20	H
5SGA 30J4502	4500	2800	17	3000	6	930	25. 0	24	4.0	2.20	0.60	125	12	3	40	J
5SGA 40L4501	4500	2800	17	4000	6	1000	26. 0	25	4.4	2.10	0.58	125	11	3	40	L

Buffer Layer

-низкие потери при включении и коммутациях

Обозначение	V DRM	V DC	V RRM	I TGQM при C S		I TAVM	I TSM		V T	V T0	rT	T VJM	RthJC	RthCH	Fm	Корпус
						T c =85°C	8. 3 мс T VJM	10 ms T VJM	I TGQM T VJM	T VJM
	В	В	В	A	мкФ	A	кA	кA	В	В	мОм	°C	K/кВт	K/кВт	кН
Fine Pattern Type
5SGF 30J4502	4500	3000	17	3000	3	960	25	24	3. 90	1.80	0.70	125	12	3	33	J
5SGF 40L4502	4500	2800	17	4000	6	1180	26	25	3. 80	1.20	0.65	125	11	3	40	L

Тиристор — принцип работы, виды и характеристики

Тиристор это полупроводниковый прибор, предназначенный для работы в качестве ключа. Он имеет три электрода и структуру p-n-p-n из четырёх слоёв полупроводника. Электроды именуются как анод, катод и управляющий электрод. Структура p-n-p-n функционально аналогична нелинейному резистору, который способен принимать два состояния:

• с очень большим сопротивлением, выключенное;
• с очень малым сопротивлением, включенное.

Виды

На включенном тиристоре сохраняется напряжение около одного или нескольких Вольт, которое незначительно увеличивается с возрастанием силы тока, протекающего через него. В зависимости от вида тока и напряжения, приложенного к электрической цепи с тиристором, в ней используется одна из трёх современных разновидностей этих полупроводниковых приборов. На постоянном токе работают:

• включаемые тринисторы;
• три разновидности запираемых тиристоров, именуемых как

На переменном и постоянном токе работают симисторы. Все эти тиристоры содержат управляющий электрод и два других электрода, через которые тёчёт ток нагрузки. Для тринисторов и запираемых тиристоров это анод и катод, для симисторов наименование этих электродов обусловлено правильностью определения свойств управляющего сигнала, подаваемого на управляющий электрод.

Наличие в тиристоре структуры p-n-p-n позволяет разделить её условно на две области, каждая из которых является биполярным транзистором соответствующей проводимости. Таким образом, эти взаимосвязанные транзисторы являются эквивалентом тиристора, что имеет вид схемы на изображении слева. Первыми на рынке появились тринисторы.

Свойства и характеристики

По сути это аналог самоблокирующегося реле с одним нормально разомкнутым контактом, роль которого выполняет полупроводниковая структура, расположенная между анодом и катодом. Отличие от реле состоит в том, что для этого полупроводникового прибора может быть применено несколько способов включения и выключения. Все эти способы объясняются транзисторным эквивалентом тринистора.

Два эквивалентных транзистора охвачены положительной обратной связью. Она многократно усиливает любые изменения тока в их полупроводниковых переходах. Поэтому существует несколько видов воздействия на электроды тринистора для его включения и выключения. Первые два способа позволяют выполнить включение по аноду.

• Если напряжение на аноде увеличивать, при его определённом значении начнут сказываться эффекты начинающегося пробоя полупроводниковых структур транзисторов. Появившийся начальный ток лавинообразно усилится положительной обратной связью и оба транзистора включатся.
• При достаточно быстром увеличении напряжения на аноде происходит заряд межэлектродных ёмкостей, которые присутствуют в любых электронных компонентах. При этом в электродах появляются зарядные токи этих ёмкостей, которые подхватывает положительная обратная связь и всё заканчивается включением тринистора.

Если перечисленные выше изменения напряжения отсутствуют, включение обычно происходит током базы эквивалентного n-p-n транзистора. Выключить тринистор можно одним из двух способов, которые также становятся понятны из-за взаимодействия эквивалентных транзисторов. Положительная обратная связь в них действует, начиная с некоторых величин токов, протекающих в структуре p-n-p-n. Если величину тока сделать меньше этих величин, положительная обратная связь сработает на быстрое исчезновение токов.

Другой способ выключения использует прерывание положительной обратной связи импульсом напряжения, который меняет полярность на аноде и катоде. При таком воздействии направления токов между электродами изменяется на противоположные и тринистор выключается. Поскольку для полупроводниковых материалов характерно явление фотоэффекта, существуют фото- и оптотиристоры, у которых включение может быть обусловлено освещением либо приёмного окошка, либо светодиодом в корпусе этого полупроводникового прибора.

Существуют ещё и так называемые динисторы (неуправляемые тиристоры). В этих полупроводниковых приборах нет управляющего электрода конструктивно. По своей сути это тринистор с одним отсутствующим выводом. Поэтому их состояние зависит только от напряжения анода и катода и они не могут включиться управляющим сигналом. В остальном процессы в них аналогичны обычным тринисторам. То же относится и к симисторам, которые по сути являются двумя тринисторами соединёнными параллельно. Поэтому они применяются для управления переменным током без дополнительных диодов.

Запираемые тиристоры

Если определённым образом изготовить области структуры p-n-p-n вблизи баз эквивалентных транзисторов можно достичь полной управляемости тиристором со стороны управляющего электрода. Такая конструкция структуры p-n-p-n показана на изображении слева. Включать и выключать такой тиристор можно соответствующими сигналами в любой момент времени подавая их на управляющий электрод. Остальные способы включения, применяемые к тринисторам, для запираемых тиристоров так же годятся.

Однако эти способы не применяются к таким полупроводниковым приборам. Они наоборот исключаются теми или иными схемотехническими решениями. Целью является получение надёжного включения и выключения только по управляющему электроду. Это необходимо для использования таких тиристоров в мощных инверторах повышенной частоты. GTO работают на частотах до 300 Герц, а IGCT способны на существенно более высокие частоты, достигающие 2 кГц. Номинальные значения токов могут быть несколько тысяч ампер, а напряжение – несколько киловольт.

Сравнение различных тиристоров приведено в таблице ниже.

Разновидность тиристора	Преимущества	Недостатки	Где используется
Тринистор	Минимальное напряжение во включенном состоянии при максимально больших токах и перегрузках. Наиболее надёжен из всех. Хорошая масштабируемость схем путём совместной работы нескольких тринисторв соединяемых либо параллельно, либо последовательно	Отсутствует возможность произвольного управляемого отключения только управляющим электродом. Наиболее низкие рабочие частоты.	Электроприводы, источники электропитания питания большой мощности; сварочные инверторы; управление мощными нагревателями; статические компенсаторы; коммутаторы в цепях с переменным током
GTO	Возможность произвольного управляемого выключения. Относительно высокая способность к перегрузкам по току. Способность надёжно работать при последовательном соединении. Рабочая частота до 300 Гц, напряжение до 4000 В.	Значительно напряжение во включенном состоянии при максимально больших токах и перегрузках и соответствующие им потери, в том числе и в системах управления. Сложная схемотехника построения системы в целом. Большие динамические потер.	Электроприводы; статические компенсаторы реактивной мощности; источники электропитания питания большой мощности, индукционные нагреватели
IGCT	Возможность произвольного управляемого выключения. Относительно высокая способность к перегрузкам по току. Относительно малое напряжение во включенном состоянии при максимально больших токах и перегрузках. Рабочая частота — до 2000 Гц. Простое управление. Способность надёжно работать при последовательном соединении.	Наиболее дорогие из всех тиристоров	Электроприводы; статические компенсаторы реактивной мощности; источники электропитания питания большой мощности, индукционные нагреватели

 

Тиристоры изготавливаются для широкого диапазона токов и напряжений. Конструкция их определяется размерами структуры p-n-p-n и необходимостью получения надёжного отвода тепла от неё. Современные тиристоры, а также их обозначения на электрических схемах показаны на изображениях ниже:

В наши дни тиристор является главным полупроводниковым прибором силовой электроники. Он обеспечивает наиболее эффективное преобразование электрической энергии.

Что такое SCR? 6 вещей, которые нужно знать о SCR

Что такое SCR ? Структура, принцип действия, характеристики СЦР. Узнайте о двух типах цепей управления тиристором

Содержание

Что такое тиристор?

Тиристор или SCR (кремниевый управляемый выпрямитель) представляет собой полупроводниковое устройство, которое действует как регулирующий клапан. Тиристоры широко используются в электронных платах управления.

Тиристор будет иметь 3 вывода: анод, катод и управляющий контакт G. Он обеспечивает проводимость от анода к катоту только при подаче тока на управляющий контакт G.

Кремниевый управляемый выпрямитель

5 вещей, которые нужно знать о SCR (тиристоре)

1. Структура и символы PN

Структура Thyris состоит из 3 слоев. Теоретически имеет два типа структуры: PNPN и NPNP, но на практике люди разрабатывают и используют только тип PNPN.

Обозначение тиристора — полупроводниковый диод с дополнительным управляющим выводом G.

>>> Подробнее: Что такое диод – Подробная статья о диоде

Структура и условное обозначение тринистора

2. Принцип работы

Мы видим, что тиристор представляет собой два транзистора PNP и NPN, соединенные вместе через базу и коллектор

Принцип работы SCR

При подаче управляющего импульса на контакт G (или контакт B транзистора NPN) транзистор NPN будет проводить. Этот ток будет течь от контакта E через контакт B транзистора PNP, и он также будет проводящим. Транзистор будет продолжать работать, даже если управляющий импульс на выводе G отключится.

Ток через контакт C NPN-транзистора такой же, как ток через контакт B PNP-транзистора, и наоборот. Поэтому транзисторы будут самоподдерживать состояние проводимости.

См. видео ниже о принципе работы SCR

3. Характеристики

3.1 Тиристоры к катоду (UAK > 0). А когда он находится в обратном состоянии, анод выдерживает отрицательное напряжение по сравнению с катодом (UAK < 0)

– Процесс переключения тиристора из открытого состояния в состояние проводимости удовлетворяет двум условиям:

+ Когда тиристор находится в запертом состоянии (UAK > 0)

+ Когда импульс тока управления iG достаточно велик.

– Процесс SCR переходит из проводящего состояния в открытое состояние (инверсное состояние или заблокированное состояние). Этот процесс состоит из двух этапов:

+ Подавление прямого тока путем изменения сопротивления или напряжения между анодом и катодом.

Восстановить функцию блокировки тиристора. После подавления прямого тока требуется время прерывания для переключения тиристора в запертое состояние.

3,2 В-А характеристика

В-А характеристика показана ниже. Состоит из 3 ветвей:

ВАХ тиристора

– Прямая ветвь (1): тиристор находится в проводящем состоянии. Падение напряжения между А-К ничтожно мало.

+ В отличие от диода, прямые ветви тиристора начинаются не с нуля, а с iH (ток удержания в состоянии проводимости). Если значение тока падает ниже iH, тиристор возвращается в запертое состояние.

+ Сразу после закрытия тиристора; Прежде чем управляющий импульс отключится, необходимо, чтобы прямой ток достиг значения тока фиксации iL (Latching). Следовательно, iL > iH.

– Обратная ветвь (3): тиристор будет в обратном состоянии.

+ Аналогично диоду, обратный ток очень мал. Если обратное напряжение смещения достигает напряжения пробоя (НПН), ток через тиристор резко возрастает. Тогда тиристорный переход повреждается.

Когда тиристор находится в обратном состоянии, ввод управляющего импульса в тринистор безуспешно увеличивает обратный ток.

– Отвод блокировки (2): Тиристор в запертом состоянии.

+ При отсутствии управляющего импульса заблокированная ветвь аналогична обратной. Точно так же мы имеем замыкающее напряжение uBO вместо напряжения пробоя uBR. Когда напряжение достигает значения uBO, тиристор переходит из запертого состояния в проводящее.

+ При изменении значения тока на выводе G SCR (iG). В зависимости от его величины изменяется и величина напряжения блокировки (напряжение блокировки будет уменьшаться при увеличении iG).

4. Динамические свойства

Когда мы подаем запирающее напряжение на тиристор, полупроводниковый слой действует как конденсатор, его емкость зависит от величины приложенного напряжения.

4.1 Переключение замкнуто

Закрытие тиристора не происходит, как только на затвор подается управляющий импульс (iG). Заряд, проходящий через полупроводниковый слой, будет постепенно увеличиваться, а напряжение запирания на тиристоре будет уменьшаться. Обычно время закрытия тиристора составляет: 3 – 10 мкс.

Когда ток проводимости увеличивается слишком быстро, только одна часть поперечного сечения приводит к перегрузке. Это может привести к чрезмерному повышению температуры и повреждению компонента.

4.2 Открытое переключение

На первом этапе выключение тиристора аналогично выключению диода.

После восстановления обратного сопротивления Тиристору требуется больше времени для восстановления запирающей способности.

Минимальное время (tmin) выключения тиристора начинается с момента, когда прямой ток достигает нуля, до тех пор, пока напряжение блокировки снова не появится (и IG = 0), но оно не может заставить тиристор работать. Если запорное напряжение подается до времени tmin, тринистор может работать, даже если на вывод затвора не подавался управляющий импульс.

Время, необходимое для отключения SCR, зависит от таких условий, как температура полупроводника, ток, скорость спада и обратное напряжение. Тиристоры обычно имеют tmins в диапазоне от нескольких до сотен амкс.

5. Нагрузочная способность

Способность тиристора выдерживать напряжение, ток и перегрузки считается такой же, как у диода. Повторяющееся пиковое обратное напряжение В _RRM и Повторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии В _DRM обычно равны, чтобы указать максимально допустимые значения напряжения, подаваемого на тиристор.

Допустимое напряжение тиристора обычно находится в диапазоне 5-7 кВ. Средний ток достигает около 5000А. Падение напряжения при проводке находится в пределах 1,5 – 3В. Большинство тиристоров имеют воздушное охлаждение.

В следующей таблице приведены типовые параметры тиристора ВС-30ТПС16-М3

Параметр	Значение	Пояснение
В РРМ	1600 В	Повторяющееся пиковое обратное напряжение
В ДРМ	1600 В	Повторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии
В РСМ	1700В	Неповторяющееся пиковое обратное напряжение
дв/дт	500 В/нас	Максимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии
I СКЗ	30А	RMS — ток в состоянии
I ТАВ	20А	Среднее значение тока в состоянии
ди/дт	150А/нас	Максимальная скорость нарастания тока включения
В Т	1,3 В	Напряжение прямого включения
В ГТ	2В	Напряжение срабатывания затвора
я ГТ	45 мА	Ток запуска стробирования
I Н	150 мА	Ток удержания
я л	200 мА	Ток фиксации

6. Цепь управления

В силовых преобразователях, использующих SCR, силовые цепи и цепи управления должны быть изолированы. Аналогично схеме драйвера для транзисторов, mosfet. Мы можем использовать импульсный трансформатор или изолирующую оптопару.

6.1 Схема управления с использованием импульсного трансформатора

Чтобы тиристор работал, ток, подаваемый на его вывод G, должен быть достаточно большим в начале. Поскольку инверсный слой не годится, на нем не допускается появление даже очень малого отрицательного напряжения (UGK < 0). В приведенной ниже схеме используются два диода D1 и D2 для предотвращения обратного тока и обеспечения напряжения UGK > 0.

Схема управления тиристором с использованием импульсного трансформатора

Когда на контакт B транзистора Q1 подается сигнал высокого уровня, Q1 открывается и действует как замкнутый переключатель. В это время на первичную обмотку импульсного трансформатора подается напряжение источника, поэтому во вторичной обмотке появляется наведенное напряжение. Это индуцированное напряжение подается на вывод G тиристора, поэтому тиристор проводит ток.

Когда входной сигнал слабый, транзистор Q1 не проводит, поэтому первичная обмотка трансформатора обесточена. Когда катушка отключена, она генерирует ток через диод Dm. Цель использования диода Дм быстро отключить ток намагничивания при прерывании импульса. Если диод Dm не используется, магнитный ток непрерывно увеличивается после подачи каждого импульса.

Если мы используем шок с длительным временем включения, это увеличит потери. Поэтому будем использовать управляющий сигнал в виде последовательности импульсов.

Цепь защиты тиристора: Используйте RC-цепь параллельно с SCR для защиты от перенапряжения. Схема может быть объединена с защитным реактором последовательно с SCR против быстрого увеличения тока через устройство.

6.2 Цепь управления с использованием оптопары

Опто, используемый в цепи управления, может быть транзисторным оптопарой или тиристором с оптоизоляцией.

Входной сигнал поступает на светодиод оптопары, светодиод светится и передает сигнал на тиристор оптопары. Тогда проводит тиристор оптопары и также проводит тиристор внешней цепи.

Цепь управления с использованием оптопары

Для оптосхемы требуется отдельный источник питания постоянного тока, что увеличивает стоимость и размер схемы управления.

Во многих приложениях простая схема драйвера использует DIAC, как показано ниже. Величина угла возбуждения зависит от времени заряда конденсатора (определяемого постоянной времени RC) и приложенного напряжения диака. Преимущество в том, что схема управления использует питание от силовой цепи. Диапазон регулирования угла возбуждения ограничен.

>>> Похожие статьи

8 принципиальных схем трехфазного выпрямителя

4 принципиальных схем пускателя звезда-треугольник

Что такое контактор? Лучшая статья о контакторе

Тиристор: все, что нужно знать

Чтобы понять, как работает схема, нужно знать действие и назначение каждого из элементов. В этой статье будет рассмотрен принцип работы тиристора, различные типы, режимы работы, характеристики и типы. Мы постараемся объяснить все максимально понятно, чтобы было понятно даже новичкам.

Что такое тиристор?

Тиристор представляет собой полупроводниковый элемент, который имеет только два состояния: «открыто» (течет ток) и «закрыто» (ток отсутствует) . Причем оба состояния устойчивы, т. е. переход происходит только при определенных условиях. Само переключение очень быстрое, хоть и не мгновенное.

Принцип его работы можно сравнить с выключателем или ключом, за исключением того, что тиристор переключается при подаче напряжения и выключается при исчезновении тока или отключении нагрузки. Поэтому легко понять, как работает тиристор.

Тиристор обычно имеет три вывода . Один управляющий и два, по которым течет ток. Можно попробовать кратко описать принцип работы. При подаче напряжения на управляющий выход цепь через анод-коллектор переключается. Так что сравнимо с транзистором . Единственное отличие состоит в том, что величина тока, протекающего через транзистор, зависит от напряжения, подаваемого на управляющий контакт. Тиристор либо полностью открыт, либо полностью закрыт.

Основные параметры тиристоров

• Максимально допустимый прямой ток . Это максимальное значение тока открытого тиристора. У мощных устройств он 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 ущерба для его работоспособности.
• Напряжение включения . Это минимальное напряжение, подаваемое на анод. Имеется в виду минимальное напряжение, при котором тиристор вообще может работать.
• Минимальный ток управляющего электрода . Необходимо включить тиристор.
• Максимально допустимый управляющий ток .
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность .

Также есть динамический параметр – время перехода из закрытого состояния в открытое . В некоторых схемах это важно. Также можно указать тип исполнения: по времени открытия или закрытия.

Внешний вид

Внешний вид тиристора зависит от даты изготовления . Старые тиристоры выполнены из металла в форме «летающей тарелки» с тремя выводами. Два вывода – катод и управляющий электрод – находятся на «дне» или «крышке» (это смотря с какой стороны на нее смотреть). И управляющий электрод меньше по размеру. Анод может находиться с противоположной стороны от катода или торчать вбок из-под шайбы, которая находится на корпусе.

Современные тиристоры выглядят иначе . Это небольшой пластиковый прямоугольник с металлической пластиной сверху и тремя ножками снизу. У современной версии есть одно неудобство: надо смотреть, какой из выводов анод, где катод и управляющий электрод. Как правило, первым идет анод, затем катод, а крайний правый электрод. Но это, как правило, то есть не всегда.

Принцип работы тиристора простыми словами

Рассмотрим принцип работы тиристора. Начальное состояние элемента закрыто. «Сигналом перехода в состояние «открыто» является напряжение между анодом и управляющим выводом. Вернуть тиристор в «закрытое» состояние можно двумя способами:

• снять нагрузку;
• уменьшить ток ниже тока удержания (одна из спецификаций).

Тиристор обычно сбрасывается по второму варианту в цепях с переменным напряжением. Однако переменный ток в бытовой цепи имеет синусоидальную форму, когда его значение приближается к нулю и происходит сброс. Поэтому необходимо либо принудительно отключить питание, либо снять нагрузку в цепях, питаемых от источников постоянного тока.

То есть тиристор по-разному работает в цепях постоянного и переменного напряжения. После кратковременного появления напряжения между анодом и управляющим выводом в цепи постоянного тока элемент переходит в «открытое» состояние. Тогда возможны два варианта развития событий:

• Состояние «открыто» сохраняется даже после исчезновения выходного напряжения управления анодом. Это возможно, если напряжение, подаваемое на вывод управления анодом, выше, чем напряжение незапирания (эти данные есть в даташите). Это связано с тем, что протекание тока через тиристор прекращается только при разрыве цепи или отключении источника питания. А разомкнутая/разорванная цепь может быть очень недолговечной. Таким образом, после восстановления цепи ток не течет, пока на контакт управления анодом снова не подается напряжение.
• Как только напряжение снимается (оно меньше напряжения отсечки), тиристор сразу переходит в «закрытое» состояние.

Итак, в цепях постоянного тока есть два способа использования тиристора — с удержанием открытого состояния и без него. Но чаще используется первый тип – когда он остается открытым.

Принцип работы тиристора в цепях переменного напряжения иной. Возврат в заблокированное состояние происходит «автоматически» — когда ток падает ниже порога удержания. Однако, если напряжение анод-катод подается непрерывно, мы получаем импульсы тока на выходе тиристора с определенной частотой. Так устроены импульсные блоки питания. Они используют тиристор для преобразования синусоиды в импульс.

Проверка работоспособности тиристора

Проверить тиристор можно мультиметром или составив простую тестовую схему. Если перед вами есть технические характеристики, вы можете одновременно проверить сопротивление перехода.

Мультиметр Прослушка

Начнем с прослушки мультиметра. Установить прибор в режим «Зондирование» .

Затем поочередно прикасаемся щупами к парам выводов:

• При подключении щупов к аноду и катоду прибор должен показывать обрыв цепи – «1» или «OL» в зависимости от мультиметра. Тиристор пробит, если другие показания отображаются хотя бы в одном направлении.
• Между анодом и управляющим электродом (выводом) должно быть небольшое сопротивление в одном направлении. В обратном направлении — обрыв. Если есть обрыв или небольшое сопротивление в обоих направлениях, элемент поврежден.

Обратите внимание, что значение сопротивления варьируется от серии к серии — не обращайте на это особого внимания. Однако, если вы хотите также проверить сопротивление перехода, посмотрите спецификации.

Проверка тиристоров с помощью лампочки и источника постоянного тока

Если у вас нет мультиметра, вы можете проверить тиристор с помощью лампочки и блока питания . Подойдет даже обычная батарея или любой другой источник постоянного напряжения. Но напряжение должно быть достаточным, чтобы зажечь лампочку. Нужно другое сопротивление или нормальный кусок провода.

• Плюс от блока питания идет на анод.
• Подсоедините лампочку к катоду. Второй его ведут на минус блока питания. Лампа не загорается, потому что термистор заблокирован.
• На короткое время (кусочком провода или сопротивлением) соедините анод и управляющий штифт.
• Лампочка загорается и горит постоянно, хотя перемычка снята. Термистор остается открытым.
• Если выкрутить лампочку или отключить питание, лампочка естественно погаснет.
• Если цепь/источник питания восстановлены, он не загорается.

Наряду с тестом эта схема позволяет понять, как работает тиристор.

Типы тиристоров и их особенности

Полупроводниковая технология все еще развивается и совершенствуется. В результате за несколько десятилетий появились новые разновидности тиристоров, имеющие некоторые отличия.

• Динисторы или диодные тиристоры . Они отличаются тем, что имеют всего два вывода. Они открываются подачей высокого напряжения на анод и катод в виде импульса. Также называются «неуправляемыми тиристорами».
• Тринисторы или триодные тиристоры . Имеют управляющий электрод, но управляющий импульс можно подать:
  – На управляющий выход и на катод. Название — катодно-управляемый.
  – К управляющему электроду и аноду. Соответственно, анодный контроль.

Существуют также различные типы тиристоров по способу запирания. В одном случае достаточно уменьшить ток анода ниже тока удержания. В другом случае на управляющий электрод подается запирающее напряжение.

Тиристоры по проводимости

Мы сказали, что тиристоры проводят ток только в одном направлении. Обратная проводимость отсутствует. Такие элементы называются обратнопроводящими, но их больше. Возможны и другие варианты:

• Имеют низкое обратное напряжение, называются обратнопроводящими.
• Непренебрежимо малая обратная проводимость. Включите цепи, где обратное напряжение не может возникнуть.
• Триаки. Симметричные тиристоры. Проведение тока в обоих направлениях.

Тиристоры могут работать в ключевом режиме. При поступлении управляющего импульса они подают ток на нагрузку. Нагрузка в этом случае рассчитывается исходя из напряжения холостого хода. Также необходимо учитывать наибольшую рассеиваемую мощность. В этом случае лучше выбирать металлические модели в виде «летающей тарелки». К ним удобно приделать радиатор — для более быстрого охлаждения.

Тиристоры по особым режимам работы

Также можно выделить следующие подтипы тиристоров:

• Запираемый и незапираемый . Принцип работы тиристора без защелки немного другой. Он находится в открытом состоянии при подаче плюса на анод. Минус на катоде. Он переходит в закрытое состояние при изменении полярности.
• Быстродействующий . Иметь короткое время перехода из одного состояния в другое.
• Импульсный . Переходы из одного состояния в другое очень быстрые, используются в схемах с импульсными режимами работы.