3. Тиристоры

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n-переходами, предназначенный для преобразования электрического то­ка, в вольт-амперной характеристике которого имеется участок от­рицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры являют­ся ключевыми приборами, т.е. могут длительное время находиться в одном из устойчивых состояний равновесия: прибор включен или при­бор выключен.

В зависимости от числа внешних электродов различают тиристоры диодные (динисторы), имеющие два электрода, триодные (тринисторы). имеющие три электрода, тетродные, имеющие четыре электрода.

		Таблица 3.1
Класс тиристоров	Тип тиристоров	Условное обозначение
Диодные (динисторы)	Несимметричные
	Симметричные
Триодные (тринисторы)	Несимметричные
	Симметричные

В зависимости от способности пропускать ток в одном или двух направлениях тиристоры разделяются на однопроводящие и двухпроводящие (симметричные тиристоры или

симисторы).

По мощности тиристоры делятся на маломощные (I_СР < 0,3 А), средней мощности (I_СР < 10 А), и силовые (I_СР > 10 А).

Классификация и условные обозначения тиристоров приведены в табл.3.1.

3.2.Принцип работы тиристора

Динистор. Основой динистора является четырехслойная полупро­водниковая структура р1-n1-р2-n2 типа (рис.3.1,а). Крайние облас­ти структуры называются эмиттерами, а центральные — базами. Элек­трод, присоединенный к р1-эмиттеру, называют анодом (А), а к n2-эмиттеру — катодом (К). Напряжение питания подается на динистор таким образом, что переходы П

1 и П₃ открыты, а переход П₂ закрыт. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти все напряжение питания U_ПР приложено к закрытому переходу П₂, имеюще­му высокое сопротивление. Ток динистора при этом мал.

При повышении напряжения U_ПР (что достигается увеличением э. д.с. источника питания Е) ток динистора увеличивается незна­чительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому крити­ческому значению, равному напряжению включения U

вкл (рис.3.1,в).

После этого происходит лавинообразное умножение носителей заряда в переходе П₂ движущимися электронами и дырками. С увели­чением числа носителей заряда ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из n2-слоя и дырки из р1-слоя устремляются в р2-слой и n1-слой и насыщают их неосновными носителями заряда , что приводит к существенному снижению их сопротивления. Напряже­ние на резисторе R возрастает, напряжение на динисторе падает, происходит переключение динистора. После переключения напряжение на нем снижается до значения порядка 0,5 — 1 В. При дальнейшем увеличении э.д.с. источника питания Е или уменьшении сопротивле­ния резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с верти­кальным участком вольт-амперной характеристики. При уменьшении тока восстанавливается высокое сопротивление перехода П

2 (нисходящая ветвь характеристики рис. 3.1,в). Время восстановления сопро­тивления этого перехода после снятия напряжения питания обычно составляет 10 — 30 мкс.

Тринистор. Базы тиристора отличаются толщиной и концентрацией примесных атомов. В тринисторе к одной из баз, имеющей более вы­сокую концентрацию примеси и меньшую толщину (обычно р2-база), присоединяют управляющий электрод (УЭ рис.3.2,а). С помощью управляющего электрода добавочные неосновные носители заряда вво­дятся в р2-слой. Это приводит к снижению напряжения, при ко­тором начинается лавинообразное нарастание тока. Данное обстоя­тельство обусловлено тем, что добавочные носители заряда увели­чивают интенсивность ионизации атомов в переходе. На рис.3.2,в показано семейство вольт-амперных характеристик тринистора при различных токах управления. Если на тиристор подается обратное напряжение, то возникает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П

1 и П₃. Во избежание пробоя тиристора в обрат­ном направлении необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U

o_{6p. max} .

Симисторы (рис.3.3,а) можно представить в виде двух р-n-р-n-секций, включенных встречно-параллельно. Эти секции подключают­ся поочередно в зависимости от полярности приложенного напряже­ния. Принцип работы каждой секции аналогичен работе обычной че­тырехслойной р-n-р-n-структуры. Выключается секция при измене­нии полярности напряжения. Вольт-амперная характеристика симистора изображена на рис.3.3,в. Из рисунка видно, что симметричные тиристоры могут пропускать ток в двух направлениях. В зависимости от конструкции полупроводникового элемента симметричные тиристоры можно включать с помощью положительных, отрицательных или бипо­лярных импульсов управления. Используются симметричные тиристоры для регулирования мощности переменного тока, в преобразователях для реверсивных электроприводов и т.д.

Лавинные тиристоры — приборы, которые благодаря специальной конструкции полупроводникового элемента могут выдерживать кратко­временные перенапряжения. В лавинных тиристорах используется пятислойная структура, имеющая лавинную характеристику как в прямом, так и в обратном направлениях [4] . В объеме сконструированного таким образом прибора рассеивается энергия, допустимая величина которой зависит от амплитуды, длительности и скважности импульсов перенапряжения. Используя лавинные тиристоры, можно исключить при­менение специальных средств защиты.

Запираемые тиристоры — приборы, которые в отличие от обычных тиристоров можно выключать по цепи управления. Конструктивно запираемые тиристоры отличаются большей площадью управляющего электро­да. Процесс включения запираемого тиристора аналогичен включению обычного тиристора, выключение производится подачей отрицательного импульса управления.

Применяя запираемые тиристоры можно упростить схемы управления, так как при этом не требуются специальные средства искусственной коммутации для выключения тиристоров.

Тиристоры с повышенным быстродействием — приборы, предназна­ченные для применения в устройствах повышенной и высокой частоты, которые должны обладать улучшенными динамическими параметрами. Однако создание универсальных приборов, у которых были бы улучше­ны динамические параметры при сохранении удовлетворительных стати­ческих параметров, затруднительно. Поэтому разработаны группы специализированных тиристоров, у которых улучшена часть динамичес­ких параметров. К ним относятся высокочастотные тиристоры (ТЧ), импульсные (ТИ), динамические (ТД) и быстродействующие (ТБ).

Динамические параметры улучшаются путем применения оптималь­ной конструкции и технологии изготовления тиристоров. Для получе­ния малых времен включения уменьшают толщину базовых областей и увеличивают время жизни неосновных носителей заряда. Улучшению динамических параметров способствует также увеличение площади управляющего электрода и другие специальные меры.

Тиристоры

Добавлено 12 ноября 2016 в 19:20

Тиристоры – это широкий ряд биполярных полупроводниковых приборов, имеющих четыре (или более) перемежающихся N-P-N-P слоя. Тиристоры включают в себя: управляемые кремниевые выпрямители (SCR), симисторы (TRIAC), запираемые тиристоры (GTO), кремниевые управляемые коммутаторы (SCS), динисторы (диодные тиристоры, «диоды для переменного тока», DIAC), однопереходные транзисторы (UJT), программируемые однопереходные транзисторы (PUT). В данном разделе рассматривается только управляемые кремниевые выпрямители (SCR), хотя упоминаются и запираемые тиристоры (GTO).

Шокли предложил четырехслойный диодный тиристор в 1950 году. Но он был реализован спустя годы компанией General Electric. В настоящее время управляемые кремниевые выпрямители (SCR) способны работать с мощностями уровнями от ватт до мегаватт. Самые маленькие приборы в корпусах, как у маломощных транзисторов, коммутируют токи в сотни миллиампер при переменных напряжениях около 100 В. Самые большие приборы, в корпусах диаметром 172 мм, коммутируют токи 5600 ампер при переменном напряжении 10 000 вольт. Самые мощные управляемые кремневые выпрямители (SCR) могут состоять из полупроводниковой пластины диаметром в сотни миллиметров.

Управляемый кремниевый выпрямитель (SCR): (a) профиль легирования, (b) эквивалентная схема на биполярных транзисторах

Управляемый кремниевый выпрямитель – это четырехслойный диод с управляющим электродом (показан на рисунке (a) выше). Если он включен, то он проводит ток, как диод, только в одном направлении. Если он не запущен, то он не проводит ток совсем.

Принцип его работы объясняется, исходя из эквивалента из соединенных транзисторов, показанного на рисунке выше (b). Положительный сигнал запуска прикладывается между управляющим выводом и катодом. Это приводит к тому, что эквивалентный NPN транзистор начинает проводить ток. Коллектор проводящего NPN транзистора подтягивается вниз, перемещая базу PNP транзистора к своему напряжению, что приводит к тому, что и PNP транзистор начинает проводить ток. Коллектор проводящего PNP транзистора подтягивается вверх, перемещая базу NPN транзистора в своем направлении. Эта положительная связь (регенерация) усиливает уже и без того проводящее состояние NPN транзистора. Более того, NPN транзистор будет теперь проводить ток даже при отсутствии сигнала на управляющем электроде. После того, как управляемый кремниевый выпрямитель (SCR) начал проводить ток, он продолжит это делать до тех пор, пока на аноде присутствует положительное напряжение. Для батареи постоянного тока, показанной на рисунке, это навсегда. Однако SCR тиристоры чаще всего используются с источниками переменного тока или импульсными источниками. Проводимость прекращается с окончанием положительной полуволны синусоиды на аноде. Кроме того, практические схемы на SCR тиристорах полагаются на этап периода переменного тока, идущий к нулю, к отсечке или переключению управляемого кремниевого выпрямителя (SCR).

Рисунок ниже (a) показывает профиль легирования управляемого кремниевого выпрямителя (SCR тиристора). Обратите внимание, что катод, который соответствует эмиттеру NPN транзистора на эквивалентной транзисторной схеме, сильно легирован, что показывает N⁺. Анод также сильно легирован (P⁺). Он соответствует эмиттеру PNP транзистора на эквивалентной транзисторной модели. Два средних слоя, соотвествующих областям базы и коллектора, легированы менее сильно: N^— и P. Профиль мощного SCR тиристора может быть разбросан по всей полупроводниковой пластине значительного диаметра.

Тиристоры: (a) поперечное сечение, условные обзначения (b) управляемого кремниевого выпрямителя (SCR) и запираемого тиристора (GTO)

Условные графические обозначения SCR и GTO тиристоров показаны на рисунке выше (b и c). Базовое обозначение диода показывает, что проводимость от катода к аноду является однонаправленной, как и у диода. Добавление управляющего электрода указывает на управление проводимостью диода. Запираемый тиристор (GTO) имеет двунаправленные стрелки на управляющем выводе, показывая, что проводимость может быть отключена отрицательным импульсом, а также включена положительным импульсом.

В дополнение к вездесущим кремниевым SCR тиристора были произведены экспериментальные устройства из карбида кремния. Карбид кремния (SiC) работает при более высоких температурах и проводит тепло лучше, чем любой метал. Это должно дать возможность создавать устройства с меньшими физическими размерами и способные работать с более высокими мощностями.

Подведем итоги

• Управляемые кремниевые выпрямители (SCR тиристоры) являются наиболее распространенным членом в тиристорном семействе четырехслойных диодов.
• Положительный импульс, приложенный к управляющему выводу SCR тиристора, приводит его к состоянию проводимости. Проводимость продолжается, даже если импульс на управляющем электроде пропадет. Проводимость прекращается, только когда напряжение между анодом и катодом падает до нуля.
• SCR тиристоры чаще всего используются с источниками переменного тока (или импульсными источниками) из-за своей непрерывной проводимости.
• Запираемый тиристор (GTO) пожет быть выключен подачей отрицательного импульса на управляющий электрод.
• SCR тиристоры могут коммутировать мегаватты мощности, до 5600 А и 10 000 В.

Оригинал статьи:

• Thyristors

Теги

ОбучениеТиристорЭлектроника

Назад

Оглавление

Вперед

Что такое тиристор? — Семейство тиристоров и их применение

Тиристор – это общее название, данное семейству полупроводниковых устройств, имеющих четыре слоя с механизмом управления, хотя этот термин чаще всего применяется к SCR (кремниевому выпрямителю). Этот термин происходит от тиратрона и транзистора , потому что устройство сочетает в себе выпрямляющее действие тиратрона и управляющее действие транзистора. Тиристор расшифровывается как THYRatron транзистор .

Устройство было впервые разработано в Bell Laboratories в США и было введено в коммерческую эксплуатацию компанией General Electric в США в 1957 году. Устройство появилось на рынке под разными названиями, такими как SCR, тиристор, тирод и т. д. С момента своего создания тиристор стал основным строительным блоком во многих промышленных и энергетических системах. Его управляемость, компактность, быстрое реагирование, высокая надежность, лучшая эффективность, большая допустимая мощность, высокие номинальные значения напряжения и тока, хорошая чувствительность срабатывания, статическая работа, большой коэффициент усиления мощности, прочная конструкция, долгий срок службы, минимальное техническое обслуживание и низкие эксплуатационные расходы. стоимость изготовления из-за достижений в области производства — дали тиристорам красочный прием во всех областях.

Сегодня тиристоры находят применение в управлении двигателями постоянного/переменного тока; для улучшения коэффициента мощности; и как коммутационные устройства. Они стали неотъемлемой частью передачи HVDC. Они настолько выгодны, что наши крупные металлургические заводы решили модернизировать свои производства, заменив МГ-установки и ртутно-дуговые выпрямители на тиристорные преобразователи. Тиристоры помогли в дальнейшем снижении затрат и в развитии системы привода, перенеся акцент с двигателей постоянного тока на двигатели переменного тока. С преобразователями циклов и инверторами скорость двигателя переменного тока также можно легко и надежно контролировать. Помимо этих основных применений, он находит применение в качестве коммутационного устройства, в частности, для улучшения коэффициента мощности линий электропередач и электросетей. Тиристор можно использовать в качестве устройства переключения мощности с мощностью от нескольких ватт до 4 МВт (2500 А при 1600 В). Некоторые тиристоры имеют номинал до 400 А, 10 000 В для использования в высоковольтных линиях передачи постоянного тока.

Тиристоры с их многочисленными преимуществами и огромными возможностями управления имеют множество применений и полностью заменили электромагнитные системы управления. Тиристор в основном выполняет две функции, а именно. электронное переключение и электронное управление.

Ниже перечислены некоторые области применения тиристоров:

1. Регулирование скорости двигателей постоянного и переменного тока.
2. В качестве выпрямителя для преобразования переменного тока в постоянный.
3. В качестве инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
4. В качестве прерывателя постоянного тока или преобразователя постоянного тока для преобразования постоянного тока на одном уровне в постоянный на другом уровне.
5. В качестве циклопреобразователя для преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты.
6. Контроль температуры, уровня, положения и освещения.
7. Силовые выключатели (автоматы постоянного и переменного тока).
8. Линии электропередачи высокого напряжения постоянного тока.
9. Улучшение коэффициента мощности в линиях электропередачи.
10. В качестве статических переключателей.
11. Управление индукционным нагревом.
12. Управление реле.
13. Управление фазами.
14. В качестве специальных источников питания для самолетов, компьютеров и т. д.

Тиристоры и симисторы с высоким номинальным напряжением и током широко используются для управления мощностью, тогда как другие члены семейства тиристоров используются для приложений малой мощности и для переключения в управляющих и цифровых цепях.

Семейство тиристоров:

Устройства P-N-P-N с нулем, одним или двумя затворами составляют базовый тиристор. Но сегодня в семейство тиристоров входят и другие подобные многослойные устройства. Полный список членов семейства тиристоров включает диак (двунаправленный диодный тиристор), симистор (двунаправленный триодный тиристор), SCR (кремниевый выпрямитель), диод Шокли, SCS (кремниевый управляемый переключатель), SBS (кремниевый двусторонний переключатель), SUS (кремниевый односторонний переключатель). выключатель), также известный как дополнительный SCR или CSCR, LASCR (световой SCR), LAS (световой переключатель) и LASCS (световой активируемый SCS).

Наиболее важным представителем семейства тиристоров является кремниевый управляемый выпрямитель (SCR). SCR представляет собой четырехслойное (P-N-P-N) трехпереходное полупроводниковое устройство с тремя выводами, а именно, анодом, катодом и затвором. Это одностороннее устройство, и проводимость происходит от анода к катоду при надлежащих условиях смещения (прямое смещение).

Диаки и симисторы являются двунаправленными устройствами. Диак представляет собой двухконтактное трехслойное устройство и обычно используется для запуска триаков. Симистор представляет собой полупроводниковое устройство с 3 выводами и может считаться эквивалентным двум тиристорам, соединенным встречно-параллельно. Диод Шокли представляет собой двухполюсный тиристор с обратным блокирующим диодом без затвора. SCS (переключатель, управляемый кремнием) похож на SCR, за исключением того, что он имеет два затвора и может включаться или выключаться любым затвором. SUS (кремниевый односторонний переключатель) имеет затвор на стороне анода и может использоваться в качестве программируемого однопереходного транзистора (PUJT). SBS (кремниевый двусторонний переключатель) представляет собой устройство, состоящее из двух идентичных структур SUS, расположенных встречно-параллельно, но имеющих только один затвор, который используется только для внешней синхронизации или для надлежащего смещения.

LASCR — это активируемый светом SCR, активируемый фотонной бомбардировкой.

UJT (однопереходный транзистор), в отличие от биполярного транзистора, имеет только один переход и, как и другие обычные транзисторы, обрабатывает действие транзистора и работает как переключатель. Характеристики UJT аналогичны характеристикам SUS. Однако его конструкция отличается, и он не принадлежит к семейству тиристоров.

Что такое тиристор?

`;

Промышленность

Факт проверен

Пол Скотт

Дата последнего изменения: 22 января 2023 г.

Тиристор — твердотельный компонент, используемый для переключения и управления потоком электрического тока. Тиристор, также известный как кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), представляет собой надежный электронный компонент, используемый в приложениях с большим током. Они состоят из четырех слоев чередующихся полупроводниковых материалов n- и p-типа, снабженных выводами анода, катода и затвора. Тиристоры начинают проводить, когда они получают заданное напряжение на клемме затвора, и будут продолжать проводить, в зависимости от нескольких переменных, даже если напряжение затвора будет снято. Эти рабочие параметры и широкий диапазон номинальной мощности делают тиристоры чрезвычайно полезными регуляторами тока.

Хотя тиристоры в широком смысле можно отнести к простым устройствам переключения тока, диапазон рабочих переменных, которыми они обладают, делает их очень полезными в ряде приложений управления. По сути, тиристоры представляют собой сильноточные переключающие устройства, состоящие из четырех чередующихся p- и n-слоев. Анод расположен на первом p-слое, вывод затвора на втором p-слое и катод на последнем n-слое. В режиме ожидания передача тока по пути анод/катод отсутствует. Компоненту требуется напряжение заданного значения, приложенное к слою затвора, чтобы включить его и заставить проводить ток.

Тот факт, что компонент не станет активным, если напряжение на затворе упадет ниже его номинального порогового значения, является одной из полезных переменных, которыми обладает тиристор. Это позволяет точно контролировать условия переключения компонента. Как только тиристор был включен, он останется активным, даже если напряжение на затворе будет снято, а проходящий через него ток не упадет ниже значения удержания компонента. Это известное удерживающее напряжение является еще одной полезной характеристикой тиристоров. Если значение анодного напряжения ниже уровня удержания, тиристор не включится, даже если на него поступит отпирающий импульс.

Тиристоры

могут комфортно работать при очень высоких номинальных напряжениях и токах. Они обычно используются в контроллерах переменного тока (AC) с переходом через ноль, источниках питания, фазовых контроллерах и средствах передачи электроэнергии на большие расстояния.