Тиристор принцип работы

Тиристор представляет собой однонаправленное полупроводниковое твердотельное устройство с четырьмя слоями чередующегося материала P и N-типа. Он состоит из трех электродов: анода, катода и затвора. Анод — это положительный конец, а катод — это отрицательный конец. Вход контролируют поток тока между анодом и катодом. 

• Как работает тиристор
• Применение тиристора
• Режим обратного запирания
• Режим прямого запирания
• Двухтранзисторная модель

Он используется в электронных устройствах и оборудовании для контроля электроэнергии или тока. Он действует как выпрямитель и может передавать ток только в одном направлении.

Как работает тиристор

Тиристор действует как диод. Он состоит из двух слоев полупроводников, а именно p-типа и n-типа, расположенных между собой для образования соединения. Анод соединен с внешним p-слоем, катод с внешним n-слоем и затвором с внутренним p-слоем. Он имеет 3 соединения, а именно J1, J2, J3.

Когда анод имеет положительный потенциал относительно катода, на затвор не подается напряжение. Соединения J1, J3 смещены в прямом направлении, а J2 — в обратном. Так что никакой проводимости здесь не происходит. Теперь, когда положительный потенциал увеличивается за пределами напряжения пробоя, происходит пробой соединения J2, и он начинает проводить ток. Как только происходит пробой, он продолжает проводить независимо от напряжения на затворе, пока потенциал на аноде не будет удален или ток через устройство не станет меньше, чем ток удержания.

Когда положительный потенциал приложен к клемме затвора по отношению к катоду, происходит пробой соединения J2. Чтобы быстро включить тиристор, необходимо выбрать соответствующее значение потенциала. Вход действует как управляющий электрод. Когда небольшое напряжение, известное как импульс затвора, подается на его затвор, устройство переключается в состояние проводимости. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на устройстве не изменится или не будет снято.

Ток запуска затвора изменяется обратно пропорционально напряжению затвора, и для его запуска требуется минимальный заряд затвора. Таким образом, переключением тиристоров можно управлять через его импульс затвора.

Двухтранзисторная аналогия тиристора

Ток коллектора от NPN-транзистора подается непосредственно на базу PNP-транзистора, а ток коллектора PNP-транзистора подается на базу NPN-транзистора. Эти соединенные транзисторы полагаются друг на друга для проводимости. Таким образом, для проведения одного из транзисторов требуется базовый ток. Когда анодный вывод тиристора является отрицательным по отношению к катоду, NP-переход становится смещенным вперед, а PN-переход становится обратным смещением.

Два транзисторных аналога тиристора

Здесь поток обратного тока блокируется до тех пор, пока не будет приложено напряжение пробоя. После пробивного напряжения оно начинает проводить без подачи сигнала затвора. Это одна из отрицательных характеристик тиристоров, так как она запускает проводимость при обратном разрыве напряжения.

Когда анодный вывод сделан положительным по отношению к катоду, внешние переходы смещены в прямом направлении, а центральный переход NP смещен в обратном направлении и блокирует прямой ток. Таким образом, чтобы вызвать его в проводимости, положительный ток прикладывается к базе транзисторов.

Два транзистора соединены в регенеративном контуре, и это заставляет транзистор проводить насыщение. Таким образом, можно сказать, что тиристоры блокируют ток как в направлении источника переменного тока в выключенном состоянии, так и могут включаться путем приложения положительного тока к базе транзистора.

Режимы работы тиристора

Тиристор имеет три режима работы:

• Блокировка вперед
• Обратная блокировка
• Прямая проводимость

Блокировка вперед

В этом состоянии или режиме прямая проводимость тока блокируется. Верхний диод и нижний диод смещены в прямом направлении, а соединение в центре — в обратном направлении. Таким образом, тиристор не включается, поскольку затвор не срабатывает, и через него не протекает ток.

Обратная блокировка

В этом режиме соединение анода и катода меняется на обратное, и через него по-прежнему не протекает ток. Тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, и он блокирует в обратном направлении, поэтому поток тока блокируется.

Прямая проводимость

При подаче тока на затвор срабатывает тиристор, и он начинает проводить ток. Он остается включенным до тех пор, пока прямой ток не упадет ниже порогового значения, и этого можно достичь, отключив цепь.

Применение тиристора

Тиристор используется в различных применениях, таких как:

• В основном используется в двигателях с переменной скоростью.
• Используется для управления электроприводом высокой мощности.
• Используется в основном в двигателях переменного тока, светильниках, сварочных аппаратах и ​​т. Д.
• Используется в ограничителе тока короткого замыкания и выключателе.
• Быстрая скорость переключения и низкая проводимость возможны в тиристоре ETO.
• Используется в качестве диммеров на телевидении, в кинотеатрах.
• Используется в фотографии для вспышек.
• Может использоваться в охранной сигнализации.
• Используется в регулировании скорости вращения электрического вентилятора.
• Используется в автомобильных зажиганиях.

Режим обратного запирания

Рассказывая о принципе работы триодного тиристора, нельзя не отметить, что оно может работать в разных режимах. При обратном запирании непосредственно к аноду полупроводника приложено отрицательное напряжение по отношению к катодному контакту. Переходы при таком варианте смещены в противоположном направлении.

Существуют факторы, ограничивающие применение подобного режима. Первый из них – это лавинный пробой, а второй – прокол обедненной области. Это объясняется тем, что существенная часть напряжения снижается на одном из переходов. Возникает их смыкание или происходит пробой.

Режим прямого запирания

Принцип работы тиристора в режиме прямого запирания предполагает обратное смещение одного из переходов. Противоположные слои сдвинуты в прямом направлении. Основная часть приложенного напряжения снижается на единичном переходе. Через остальные слои в соприкасающиеся области инжектируются носители, позволяющие уменьшить сопротивление на проводящем элементе. Происходит увеличение проходящего тока. Падение напряжения уменьшается.

Увеличение прямого напряжения приводит к медленному росту электрического тока. В таком режиме полупроводник считается запертым, что связано с повышенным сопротивлением единичного перехода. При некотором показателе напряжения процесс начинает приобретать лавинообразный характер. Прибор переходит во включенное состояние, в нем устанавливается электрический ток, который зависит от источника и сопротивления цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения устройства и принципа работы тиристора в режиме прямого запирания применяется двухтранзисторная модель. Данный полупроводниковый прибор можно рассматривать как два совмещенных транзистора с противоположными выводами. Переход в центре используется в качестве коллектора дырок и электронов, которые инжектируются определенными переходами.

Соотношения не изменяются при протекании токов в противоположном направлении. При повышении коэффициента в замкнутой петле происходит лавинообразный процесс, подразумевающий увеличение тока непосредственно через структуру. Электрический ток ограничен лишь сопротивлением наружной цепи.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

принцип работы, схемы управления тиристорами, подробные видео разбор темы, фото тиристорного светодиода

Автор Aluarius На чтение 5 мин. Просмотров 2.8k. Опубликовано 16.12.2015

Содержание

• 1 Где применяются тиристоры
• 2 Конструкция и принцип действия
  • 2. 1 Цепь постоянного тока
  • 2.2 Цепь переменного тока
• 3 Управление тиристорами
• 4 Тиристорные светодиоды

Перед тем как разбираться с темой «тиристор – принцип работы», необходимо понять, что собой представляет этот небольшой прибор. По сути, это силовой ключ, только он всегда находится в открытом состоянии. Поэтому его часто называют не полностью управляемый ключ.

Тиристор

Необходимо отметить, что по своему устройству тиристор напоминает обыкновенный транзистор или диод. Правда, есть и существенные отличия. К примеру, диод – это полупроводниковый двухслойный элемент на кремневой основе (PN), транзистор – трехслойный (PNP или NPN), тиристор – четырехслойный (PNPN). То есть, у него три перехода p-n. Именно поэтому диодные выпрямители перед тиристорными являются менее эффективными. Это хорошо видно на схеме управления тиристорами.

Где применяются тиристоры

Область применения тиристоров обширна. К примеру, из них можно собрать инвертор для сварки или зарядное автомобильное устройство. Некоторые умельцы своими руками собирают даже генераторы. Самое важное, что тиристоры могут через себя пропускать токи и высокочастотные, и низкочастотные. Поэтому, собрав мост из этих приборов, можно изготовить трансформатор и для сварочного аппарата.

Cхема управления тиристором

Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

• Анод.
• Катод.
• Вход.

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.

Конструкция тиристора

Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

• Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
• Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
• Величина самой токовой нагрузки.
• Напряжение в цепи.
• Температура самого прибора.

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

• Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
• Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Тиристор в цепи переменного тока.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Управление тиристорами

В силовых электронных аппаратах чаще всего используется или фазное, или широтно-импульсное управление тиристором.

В первом случае регулировать токовую нагрузку можно за счет изменения углов или α, или θ. Это относится к принудительной нагрузке. Искусственную нагрузку можно регулировать только с помощью управляемого тиристора, который также называется запираемый.

При ШИМ (широтно-импульсной модуляции) во время Тоткр сигнал подается, а, значит, сам прибор находится в открытом состоянии, то есть, ток подается с напряжением Uн. В период времени Тзакр сигнал отсутствует, а сам прибор находится непроводящем состоянии.

Тиристорные светодиоды

Обычно тиристор и светодиод в одном светильнике не устанавливаются. Его место заменяет диод, который работает и на включение, и на отключение, как обычный ключ. Это связано с разными причинами, где основная – это конструкция и принцип действия самого прибора, который всегда находится в открытом состоянии. В настоящее время ученые изобрели так называемый тиристорный светодиод.

Тиристорный светодиод

Во-первых, тиристорный светодиод в своем составе кроме кремния имеет: галлий, алюминий, индий, мышьяк и сурьму. Во-вторых, спектр излучения при n-переходах между материалами создает волну длиною 1,95 мкм. А это достаточно большая оптическая мощность, если ее сравнивать с диодным элементом, который производит световые волны в том же диапазоне.

Принцип работы кремниевого выпрямителя

Принцип работы кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) состоит из четырех слоев полупроводникового материала, чередующихся p-типа и n-типа, как показано на рис. 19-1(a). Из-за своей конструкции тринистор иногда называют четырехслойным диодом или устройством pnpn. Слои обозначаются p ₁ , n ₁ , p ₂ и n ₂ , как показано на рисунке. Есть три соединения; Дж ₁ , Дж ₂ и J ₃ и три клеммы; анод (А), катод (К) и г ели (Г). На рис. 19-1(b) показан символ схемы работы кремниевого управляемого выпрямителя.

Чтобы понять принцип принципа выпрямителя, контролируемого кремния, необходимо представить, что слои n ₁ и p ₂ разделены на N _1A , N _1B , р _2A и р _2B как показано на рис. 19-1(с). Так как n _1a подключен к n _1b и P _2a связаны с p _2b , на самом деле ничего не изменилось. Однако теперь можно думать о p ₁ , n _1a , P _2a как о pnp-транзисторе, а n _1b , P _2b , n ₂  n как о транзисторе. Замена представлений блока транзисторов на рис. 19-1(c) символами схемы pap и npn BJT дает эквивалентную схему с двумя транзисторами на рис. 19-1(d). Видно, что коллектор Q ₁ подключен к Q 9База 0003 2 , а коллектор Q ₂ общий с базой Q ₁ . Эмиттер Q ₁ является выводом анода тиристора, эмиттер Q ₂ является катодом, а соединение коллектора Q ₁ и базы Q ₂ является выводом затвора тиристора.

Для прямого смещения тиристора напряжение (V _AK ) подается положительное на анод (A), отрицательное на катод (K), как показано на рис. 19-2(a). Если затвор (G) оставить неподключенным, то только малые токи утечки (I _CO ), а оба транзистора остаются выключенными. Ссылка на рис. 19-1 (a) показывает, что токи утечки являются результатом обратного смещения перехода J ₂ , когда A положительное, а K отрицательное.

При подаче отрицательного напряжения затвор-катод (-V _G ) переход база-эмиттер Q ₂ смещен в обратном направлении, и только небольшие токи утечки продолжают протекать, поэтому как Q ₁ , так и Q ₂ остаются выключенными. Положительное напряжение затвор-катод смещает транзистор Q 9 в прямом направлении.0003 2 переход база-эмиттер, вызывающий протекание тока затвора (I _G = I _B2 ) и создающий ток коллектора Q ₂ (I _C2 ), [см. рис. 19-2( б)]. Поскольку I _C2 совпадает с I _B1 , Q ₁ также включается, и I _C1 течет, обеспечивая базовый ток I _B2 . Каждый ток коллектора обеспечивает намного больший ток базы, чем требуется для транзисторов, и даже когда I _G выключен, транзисторы остаются включенными, проводя сильно с небольшим падением напряжения между анодом и катодом. Способность тиристорного тиристора оставаться включенным при снятии тока запуска называется фиксацией.

Для включения тиристора требуется только короткий импульс тока затвора. После включения ворота больше не контролируются, и устройство остается включенным до тех пор, пока V _AK не уменьшится почти до нуля.

Снова рассмотрим рис. 19-1(a). При прямом смещении (анод-катод) переходы J ₁ и J ₃ смещены в прямом направлении, а переходы J ₂ смещены в обратном направлении. Когда V _AK станет достаточно большим, J ₂ выйдет из строя, и результирующий ток, протекающий через переход, составит ток коллектора в каждом транзисторе. Каждый коллекторный ток течет в базу другого транзистора, вызывая включение обоих транзисторов. Таким образом, SCR может срабатывать при разомкнутом затворе.

SCR Характеристики и параметры:

На рис. 19-3(a) показан принцип работы кремниевого управляемого выпрямителя с обратным напряжением смещения анод-катод (- V _AK ), (отрицательное на A, положительное на К). Обратите внимание, что клемма затвора разомкнута. На рис. 19-3(b) показано, что обратное напряжение смещения вызывает прямое смещение перехода J ₂ , а обратное — J ₁ и J ₃ . Когда -V _AK маленький, протекает обратный ток утечки (I _RX ). Это показано как обратная характеристика (-V _AK против I _R ) на рис. 19-3(c). I _RX обычно составляет около 100 мкА и иногда упоминается как обратный блокирующий ток .

При повышении уровня -V _AK I _RK остается примерно постоянным до достижения обратного напряжения пробоя. В этот момент переходы с обратным смещением (J ₁ и J ₃ ) пробиваются и обратный ток (I _R ) очень быстро возрастает. Если I _R не будет ограничен (дополнительными элементами схемы), устройство выйдет из строя при протекании чрезмерного тока. Область обратных характеристик до пробоя называется областью обратной блокировки.

Тиристор с прямым смещением между анодом и катодом (положительное на A, отрицательное на K) показано на рис. 19-4(a). Здесь снова клемма затвора разомкнута. Как показано на рис. 19-4(b), +V _AK прямого смещения J ₁ и J ₃ и обратного смещения J ₂ . При низких уровнях +V _AK протекает небольшой прямой ток утечки (I _FX ). На самом деле это обратный ток утечки на переходе (J ₂ ), поэтому (как I _RK ) он обычно составляет около 100 мкА. Также, как и I _RK , I _FX остается практически постоянным до +V _AK сделан достаточно большим, чтобы вызвать (с обратным смещением) J ₂ для поломки. Приложенное напряжение в этой точке называется напряжением прямого отключения (V _F(BO) ). Это иллюстрируется прямыми характеристиками (I _F по сравнению с +V _AK ) на рис. 19-4(c). Когда достигается V _F(BO) , составные транзисторы (Q ₁ и Q ₂ ) немедленно переходят в режим насыщения, как уже объяснялось, и напряжение между анодом и катодом быстро падает до прямой проводимости . напряжение В _F Теперь устройство находится в области прямой проводимости, и I _F необходимо ограничить, чтобы защитить SCR от чрезмерных уровней тока.

До сих пор прямые характеристики me SCR обсуждались только для случая I _G = 0. Теперь рассмотрим влияние уровней I _G больше нуля, пар. 19-5(а)1. Как уже было показано, когда +V _AK меньше, чем V _F(BO) ), а I _G равно нулю, протекает небольшой ток утечки. Этот ток слишком мал, чтобы как-то повлиять на уровень +V _AK , вызывающий включение SCR. Когда I _G делается лишь немного большим, чем токи утечки перехода, это по-прежнему оказывает незначительное влияние на уровень +V _AK при включении. Теперь рассмотрим противоположную крайность. Когда I _G становится больше минимального тока базы, необходимого для включения Q2, SCR включается, когда +V _AK смещает в прямом направлении переходы база-эмиттер Q ₁ и Q2, [рис. 19-5(б) и рис. 19-6].

Полные прямые характеристики для принципа работы кремниевого управляемого выпрямителя показаны на рис. 19-6. Отметим, что при I _G = I _G4 включение происходит с +V _AK на относительно низком уровне (V ₄ ). Токи затвора между I _GO и I _G4 включения устройства при напряжениях больше В ₄ и меньше В _F(BO) . Область прямых характеристик перед включением известна как область прямой блокировки, а область после включения называется областью прямой проводимости, как показано. В области прямой проводимости SCR ведет себя как выпрямитель с прямым смещением. Прямое (анод-катод) напряжение (В _F ) при включенном устройстве обычно составляет 1,7 В.

Для переключения тиристора прямой ток (I _F ) должен быть уменьшен ниже тока удержания (I _H ), (см. рис. 19-6). Ток удержания соответствует минимальному уровню I _F , который поддерживает проводимость SCR. Если ток затвора больше нуля поддерживается при включенном тринисторе, возможны более низкие уровни тока удержания (I _h2 , I _h3 и т. д.).

Спецификация SCR:

Как и в случае с большинством электронных устройств, максимальное напряжение и ток SCR важны для любого применения. Прямое напряжение пробоя и обратное напряжение пробоя уже обсуждались. Максимальное прямое напряжение, которое может быть приложено, не вызывая срабатывания SCR, называется прямым блокирующим напряжением (V

DRM ). Точно так же максимальное обратное напряжение, которое может быть приложено, является обратным напряжением блокировки (V _RRM ).

Максимальный ток тиристора указывается по-разному: средний ток (I _T(AV) ), среднеквадратичное значение кунерита (I _T(RMS) ) и пиковый неповторяющийся импульсный ток (I _TSM ). Первые два из них не нуждаются в объяснении. Третий — относительно большой ток, который обычно может протекать в течение максимум полупериода синусоидальной волны 60 Гц.

Номинал предохранителя цепи (I ² t) — еще один параметр, определяющий максимальный неповторяющийся прямой ток. Это можно использовать для расчета максимальной продолжительности заданного скачка прямого тока. Во многих схемах ток SCR ограничивается последовательно включенной нагрузкой, поэтому обычно нет необходимости учитывать уровни импульсного тока, за исключением случая емкостных нагрузок.

Некоторый диапазон доступных SCR иллюстрируется частичными спецификациями и пакетами, показанными на рис. 19-7. При среднеквадратичном токе 800 мА и блокирующем напряжении 30 В в прямом и обратном направлениях 2N5060 является относительно малоточным и низковольтным устройством. Он упакован в типичный пластиковый корпус транзисторного типа TO-92. Обратите внимание, что пиковое обратное напряжение затвора

(V _GRM ) составляет 5 В. Тиристор 2N6396 способен работать с максимальным среднеквадратичным значением тока 12 А и имеет прямое и обратное блокирующее напряжение 200 В. -220 пластиковый корпус с металлическим язычком для крепления на радиатор. Для C35N пиковое прямое и обратное напряжение составляет 960 В, максимальный среднеквадратичный ток 35 А. Корпус устройства предназначен для болтового крепления к радиатору.

Инвертор SCR (тиристорный H-мост) схема/принцип работы?

\$\начало группы\$

В нескольких интернет-статьях упоминается так называемый «однофазный инвертор SCR». Пример схемы прилагается ниже.

В реальности это, конечно, не сработает, так как SCR2 при срабатывании после SCR1 закоротит питание. Очевидно, что на схеме отсутствует цепь, которая отключает тиристоры.

Я поискал в сети и не нашел реальной реализации этой идеи. Кто-нибудь может рассказать об этом и поделиться рабочей схемой инвертора SCR? Кроме того, в чем преимущество использования SCR по сравнению с MOSFET здесь?

• h-мост
• тиристор
• тиристор

\$\конечная группа\$

7

\$\начало группы\$

Кроме того, в чем преимущество использования SCR по сравнению с MOSFET?

Преимущество инверторов SCR заключается в том, что мощные МОП-транзисторы и другие переключающие устройства высокой мощности не были доступны, когда инверторы SCR были изобретены.