тиристор | Электрознайка. Домашний Электромастер.

♦Динистор и тиристор в цепях постоянного тока.

♦     Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод), это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод), это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦      С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр, то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U < Uпр), если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦     В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

• — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0;
• — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд.
• — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов.

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦     Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн, через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦     При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.

Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2.
♦     При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом, не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н.
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦     У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102  (разное  напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт, что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.

Устройство работает следующим образом.

♦     В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды. Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1. Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем  кнопку Кн.
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется».
Загорается лампочк

а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго.
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦     Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн. При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается». Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры:

КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208.

♦     Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог.

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3.
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод.

♦     Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд), будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦     Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2.  А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания

Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4.

 Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1), вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5).

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт. Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦     Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6).

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер, сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

• — управляющего элемента– стабилитрона КС510, который определяет напряжение выхода;
• — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А, исполняющих роль регулятора напряжения;
• — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4;
• — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503.

♦     На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1. Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510, величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт.
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом, включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт.  Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе

R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4. При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта.
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1, сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно

1,5 — 2,0 вольта.
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн, сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт, а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3, можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более. Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

/span

Лекция 14. Тиристоры, принцип работы, классификация и основные параметры

14.1. Устройство и принцип работы тиристора

Тиристором (от греч. thyra — дверь и резистор), называется полупроводниковый прибор, содержащий триp—nперехода и четыре слоя с чередующимися типами проводимости. Тиристоры обладают односторонней проводимостью от анода к катоду. Различают диодные тиристоры (динисторы) и триодные (управляемые) тиристоры. Условные графические обозначения динистора и тиристора, а также внешний вид некоторых типов тиристоров представлен на рис. 14.1.

динистор
тиристор

Рис. 14.1. Условное графическое обозначение и внешний вид динистора и тиристора

Электрические характеристики тиристоров близки к характеристикам идеального ключа. Они могут находиться только в двух состояниях:

— закрытом – сопротивление более 100 кОм;

— открытом – сопротивление 0,01…0,1 Ом.

Общим признаком, характерным для четырёхслойных полупроводниковых структур, является регенеративный процесс, происходящий при открывании (переходе из закрытого в открытое состояние). Регенеративный процесс возникает из-за внутренней положительной обратной связи.

Рассмотрим работу неуправляемого диодного тиристора – динистора. Структура динистора представлена на рис. 14.2.

Для удобства анализа работы такой p—n—p—nструктуры заменим её эквивалентной схемой из двух транзисторов с разным типом проводимостиp—n—pиn—p—n. Эквивалентная схема представлена на рис. 14.3.

Из эквивалентной схемы замещения динистора видно, что переход П1 – это переход эмиттер-база транзистора p—n—p, переход П3 – это переход эмиттер-база транзистораn—p—n, а переход П2 – их общий переход коллектор-база.

Рис. 14.2. Структура динистора

а)	б)

Рис. 14.3. Эквивалентная схема замещения динистора:

а – с послойным представлением переходов; б – на транзисторах p—n—pиn—p—n

При приложении к динистору напряжения в полярности, указанной на рис. 14.2 (+ к аноду, к катоду), переходы П1 и П3 открыты, а П2 закрыт. Через динистор проходят два встречных потока зарядов:

— дырки из слоя p₁черезn₂вp₃;

— электроны из слоя n₄черезp₃вn₂.

В базах n₂иp₃эти носители зарядов частично рекомбинируют, и в переход П2 входит лишь часть этих потоков, определяемая коэффициентами передачи токов₁и₂. Также через переход П2 проходит ток не основных носителей зарядов, представляющий собой обратный ток закрытого переходаI_К.ОБР. Тогда суммарный ток через переход П2 составит

. (14.1)

Но по первому закону Кирхгофа ток в неразветвлённой цепи одинаков на любом её участке, следовательно

, (14.2)

где I– ток во внешней цепи.

Так как ,, тогда из выражений (14.1) и (14.2) можно записать, причём₂>₁.

Регенеративный процесс (из-за внутренней положительной обратной связи) учитывается коэффициентом лавинного умножения М. С учётом этого коэффициента получим

. (14.3)

Следовательно, ток закрытого динистора определяется обратным током перехода П2. В лекции 1 было отмечено, что с ростом обратного напряжения возрастает обратный ток закрытого p—nперехода, а в лекции 9 – что этот ток возрастает и с ростом температуры.

На рис. 6.3 была показана зависимость коэффициента передачи тока эмиттера транзистора от величины тока эмиттера. Из рисунка следует, что для малых значений тока 1. Но с увеличением токабыстро увеличивается.

Если увеличивать напряжение во внешней цепи динистора, начнёт увеличиваться обратный ток перехода П2. Увеличение этого тока вызовет рост коэффициентов передачи ₁и₂транзисторов. Когда напряжение во внешней цепи достигнет значения, при которомM(₁+₂) = 1 (напряжение включенияU_вкл), ток, в соответствии с выражением (14.3), резко возрастёт, наступит насыщение общего коллекторного перехода П2, и динистор откроется. Это явление иллюстрирует вольтамперная характеристика динистора, представленная на рис. 14.4.

Рис. 14.4. Вольтамперная характеристика динистора

На вольтамперной характеристике можно выделить три участка: 1 – участок закрытого состояния, когда рост напряжения во внешней цепи вызывает постепенное увеличение обратного тока перехода П2; 2 – участок отрицательного сопротивления, когда начинается регенеративный процесс, и напряжение на динисторе резко уменьшается; 3 – участок открытого состояния, аналогичный прямой ветви вольтамперной характеристике полупроводникового диода.

При приложении к динистору обратного напряжения переходы П1 и П3 закрыты, и динистор остаётся закрытым до напряжения лавинного пробоя (напряжения Зенера U_{обр.макс}), которое примерно равно напряжению включения. Если превысить величину напряжения Зенера, то переходы П1 и П3 будут пробиты, и динистор выйдет из строя.

С ростом температуры напряжение включение будет уменьшаться, так как при нагреве возрастает обратный ток перехода П2, и регенеративный процесс включения начинается при меньшем напряжении.

Время переключения в открытое состояние составляет единицы микросекунд, так как регенеративный процесс нарастает очень быстро. Открывание динистора – процесс обратимый. Чтобы регенеративный процесс в переходе П2 не прекращался, через динистор должен проходить ток, поддерживающий этот процесс. Минимальная величина прямого тока, при котором существует регенеративный процесс, называется током удержания. Для закрывания динистора нужно просто уменьшить ток через него до величины, меньшей тока удержания. Однако время выключения будет примерно в 10 раз больше, чем время включения, так как требуется рассасывание зарядов, насыщавших переход П2.

Существенным недостатком динисторов является невозможность перевода их в открытое состояние при напряжениях во внешней цепи, меньше чем напряжение включения. Этот недостаток устранён в тиристоре.

Рассмотрим работу управляемого четырёхслойного полупроводникового прибора – тиристора. Структура тиристора представлена на рис. 14.5.

Рис. 14.5. Структура тиристора

Тиристор отличается от динистора наличием управляющего электрода УЭ, который подключён к слою р₃, и на который подаётся положительное относительно катода напряжениеU_упр.

Для тиристоров специально выбирают режим внешней цепи Е_А<U_вкл, чтобы тиристор был надёжно закрыт. Для перевода тиристора в открытое состояние подают импульс управляющего напряжения. Из-за этого увеличивается ток перехода П3, увеличивается коэффициент передачи тока₂, и, если увеличение₂будет достаточным для условияM(₁+₂) = 1, возникает регенеративный процесс и тиристор открывается.

После открывания тиристора управляющий электрод теряет свои управляющие свойства, поэтому закрыть не запираемый тиристор сигналом управляющего электрода нельзя. Закроется тиристор лишь тогда, когда ток во внешней цепи станет меньше тока удержания.

Рассмотрим влияние величины тока управления на напряжение открывания тиристора по вольтамперной характеристике, представленной на рис. 14.6.

Рис. 14.6. Вольтамперная характеристика тиристора

Если ток управления небольшой (I_УПР1), то напряжение включение незначительно уменьшается относительноU_ВКЛдинисторного режима. С ростом величины тока управления (I_УПР2>I_УПР1) напряжение включения уменьшается. Если ток управления будет достаточно большим, то тиристор будет открываться при минимальном напряжении на аноде. Участок отрицательного сопротивления на вольтамперной характеристике исчезнет, то есть соединятся участки 1 и 3 (рис. 14.4). Такой управляющий ток называется током управления спрямления (I_{УПР.СПР}).

тиристор в цепи постоянного тока

♦Динистор и тиристор в цепях постоянного тока.

♦     Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод), это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод), это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦      С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр, то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U < Uпр), если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦     В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

• — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0;
• — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд.
• — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов.

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦     Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн, через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦     При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2.
♦     При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом, не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н.
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦     У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102  (разное  напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт, что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.

Устройство работает следующим образом.
♦     В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды. Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1. Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем  кнопку Кн.
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется».
Загорается лампочка по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго.
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦     Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн. При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается». Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208.

♦     Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог.

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3.
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод.

♦     Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд), будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦     Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2.  А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4.

 Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1), вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5).

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт. Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦     Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6).

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер, сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

• — управляющего элемента– стабилитрона КС510, который определяет напряжение выхода;
• — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А, исполняющих роль регулятора напряжения;
• — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4;
• — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503.

♦     На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1. Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510, величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт.
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом, включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт.  Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4. При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта.
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1, сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта.
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн, сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт, а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3, можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более. Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

/span

тиристор — Thyristor — qwe.wiki

Тиристора ( ) представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство с четырьмя слоями переменного P- и N-типа материалов. Он действует исключительно как бистабильный переключатель, проведение , когда ворота принимает текущий триггер, и продолжают проводить до тех пор , напряжение на устройстве не будет отменено предвзятым, или до тех пор , пока напряжение не удаляется ( с помощью некоторых других средств). Три-свинец тиристорный предназначено для управления большего тока анода к пути катода путем регулирования тока , что с меньшим током другого его свинца, известный как его ворот. В противоположность этому , двухпроводной тиристорный предназначен для включения , если разность потенциалов между его выводами достаточно велико (напряжение пробоя).

Некоторые источники определяют кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) и тиристор как синонимы. Другие источники определяют тиристоры как более витиеваты построенные устройства , которые включают по меньшей мере четыре слоя из чередующихся N-типа и р-типа подложки.

Первые тиристорные устройства были выпущены на коммерческой основе в 1956 году Поскольку тиристоры могут контролировать относительно большое количество мощности и напряжение с малым устройством, они находят широкое применение в области контроля электроэнергии, начиная от легких диммеров и управления скоростью вращения электродвигателя до высокого напряжения постоянный ток передачи мощности. Тиристоры могут быть использованы в силовых коммутации цепях, реле-замене цепях, инверторные схемы, схемы генератора, уровень детекторных схемы, прерыватели цепи, легких затемнении схем, схемы таймеров недорогих, логические схемы, скорости цепях управления, поэтапная схемы управления и т.д. Первоначально, тиристоры полагались только на текущий разворот , чтобы включить их, что делает их трудно применять для постоянного тока; новые типы устройств может быть включен и выключен через сигнал управления затвором. Последний известен как ворота выключения тиристора или GTO тиристора. Тиристорный не пропорционально устройство , как транзистор . Другими словами, тиристор может быть только полностью включен или выключен, в то время как транзистор может лежать между и выключаться государств. Это делает тиристор непригодным в качестве аналогового усилителя, но полезно в качестве переключателя.

Вступление

Тиристор четыре слоистые, трехтерминальный полупроводниковое устройство, с каждым слоем , состоящим из попеременно N-типа или р-типа материала, например PNPN. Основные терминалы, меченный анод и катод, являются во всех четырех слоев. Терминал управления, называют воротами, прикреплен к р-типа материала вблизи катода. (. Вариант называется SCS-кремниевый управляемый коммутатор-объединяет все четыре слоя к терминалам) Работа тиристора может быть понят в терминах пары тесно связанные биполярных транзисторов , выполненном с возможностью вызывать самоблокировку действия:

Структура на физическом и электронном уровне, а символ тиристор.

Тиристоры имеют три состояния:

1. Обратный режим блокировки — напряжение прикладывается в направлении, которое будет заблокирован диод
2. Форвард режим блокировки — напряжение прикладывается в направлении, которое вызвало бы диод проводить, но тиристор не был вызван в проводящий
3. Форвард режим проведения — Тиристор был запущен в проводящий и останется не проводит до передних капель тока ниже порогового значения, известного как «удерживающего ток»

Функция ворот терминала

Тиристор имеет три р — переходов (последовательно назван J ₁ , J ₂ , J ₃ от анода).

Слой схема тиристора.

Когда анод на положительный потенциал V _АК по отношению к катоду, без напряжения , приложенного к воротам, спаи J ₁ и J ₃ являются смещены в прямом направлении, в то время перехода J ₂ смещен в обратном направлении. Как J ₂ смещен в обратном направлении, нет проводимости не происходит (выключенное состояние). Теперь , если V _АК увеличивается за пределы напряжения пробоя V _BO тиристора, лавинный пробой из J ₂ имеет место и тиристор начинает проводить (О состоянии).

Если положительный потенциал V _G применяется у ворот терминала по отношению к катоду, пробой перехода J ₂ происходит при более низком значении V _АК . Путем выбора соответствующего значения V _G , тиристор может быть переключен в включенном состоянии быстро.

После того, как лавина пробы произошли, тиристор продолжает проводить, независимо от напряжения затвора, пока: (а) потенциал V _АК удаляется или (б) ток через устройство (анод-катод) становится меньше , чем ток удержания указанного изготовителем. Следовательно , V _G может быть импульс напряжения, такие как выходное напряжение от СЖТ релаксатора .

Импульсы ворота характеризуются с точки зрения запуска затвора напряжения ( V _GT ) и пускового тока затвора ( я _GT ). Триггер ток затвора изменяется обратно пропорционально шириной импульса затвора таким образом , что, очевидно , что существует минимальный ворот заряд требуется для запуска тиристора.

Переключение характеристик

V — I характеристики.

В обычном тиристоре, как только он был включен в контактном выводе затвора, устройство по- прежнему фиксируется в положении на-( т.е. не требуется непрерывная подача тока затвора , чтобы оставаться во включенном состоянии), обеспечивая анодный ток превысило блокировочный ток ( I _л ). До тех пор , как анод остается положительно предвзятым, он не может быть отключен до тех пор , пока анодный ток падает ниже удерживающего тока ( I _H ). В нормальном рабочем состоянии запирающий ток всегда больше тока удержания. В приведенном выше рисунке I _L должен прийти выше I _H на оси у , так как I _L > I _H .

Тиристор может быть выключен, если внешняя цепь вызывает анод, чтобы стать отрицательным смещением (методом, известный как природная, или линия, коммутация). В некоторых приложениях это делается путем переключения второго тиристора, чтобы разрядить конденсатор в катод первого тиристора. Этот метод называется принудительной коммутацией.

После того , как ток в тиристоре уже потушен, конечное время задержка должна пройти , прежде чем анод может снова быть положительно предвзятым и сохраняет тиристор в выключенном состоянии. Эта минимальная задержка называется цепью коммутируется время выключения ( т _Q ). Попытка положительно смещает анод в течение этого времени приводит к тому , чтобы быть тиристор себя вызвано остальными носителями заряда ( дырки и электроны ), которые еще не рекомбинирует .

Для приложений с частотами выше , чем внутренние сети переменного тока (например , 50 Гц или 60 Гц), тиристоры с более низкими значениями т _Q требуются. Такие быстрые тиристоры могут быть изготовлены путем диффузии тяжелых металлов ионы , такие как золото или платина , которые действуют как центры комбинации заряда в кремнии. Сегодня быстрые тиристоры чаще сделаны электрона или протона облучения кремния, или путем ионной имплантации . Облучение является более универсальным , чем металлическим легирование тяжелого , так как он позволяет дозировку следует отрегулировать достаточно тонко, даже при довольно позднюю стадию обработки кремния.

история

Кремний управляемый выпрямитель (SCR) или тиристорный предложенный Уильямом Шокли в 1950 году и отстаивал Moll и другие в Bell Labs была разработана в 1956 году энергетиками в General Electric (GE), во главе с Гордоном Hall и коммерческому Frank W. компании GE » Билл»Gutzwiller.

Банк из шести тиристоров 2000 A (белые диски расположены в ряд на верхней части, и видно ребра)

Этимология

Ранее труба газонаполненного устройство , называемый тиратрон при условии , аналогичная электронной возможности коммутации, где небольшое управляющее напряжение может переключить большой ток. Это из комбинации «тиратрона» и « транзистор » , что термин «тиристорный» является производным.

Приложения

Осциллограммы в тиристорным цепи управлени током переменного тока.
Красный след: нагрузки (выход) напряжение
Синий след: Триггер напряжение.

Тиристоры в основном используются , когда высокие токи и напряжения участвуют, и часто используются для контроля переменных токов , где изменение полярности тока вызывает устройство для выключения автоматически, упоминается как « нулевой кросс » операции. Устройство может быть сказано работать синхронно ; в том , что, как только устройство срабатывает, он проводит ток в фазе с напряжением , приложенным над его катодом к аноду соединению без дополнительной модуляции затвора не требуется время, то есть, устройство смещено полностью включено . Это не следует путать с несимметричной работы, так как выходной сигнал является однонаправленным, течет только от катода к аноду, и так асимметрично в природе.

Тиристоры могут быть использованы в качестве элементов управления для фазового угла срабатывают контроллеры, также известные как фаза произвела контроллеры .

Они также могут быть найдены в источниках питания для цифровых схем , где они используются в качестве своего рода «улучшенного автоматического выключателя » , чтобы предотвратить сбой в питании от вредных компонентов вниз по течению. Тиристорный используются в сочетании с стабилитроном , прикрепленным к его воротам, и если выходное напряжение питания поднимается выше напряжения стабилитрона, тиристор будет проводить и короткое замыкание выхода источника питания на землю (в общем случае также отключения вверх по течению выключатель или предохранитель ). Этот вид цепи защиты известен как лом , и имеет преимущество по сравнению со стандартным автоматическим выключателем или предохранитель в том , что она создает путь высокой проводимости на землю для повреждающего напряжения питания и потенциально для накопленной энергии в системе быть приведенными в действие.

Первое применение крупномасштабных тиристоров, с соответствующим запускающим DIAC , в потребительских продуктах , связанное с стабилизированными источниками питания в пределах цвета телевизионных приемников в начале 1970 — х лет. Питания стабилизированного высокого напряжения постоянного тока для приемника было получено путем перемещения точки переключения тиристорного устройство вверх и вниз , падающего наклон положительной идущей половины входного питания переменного тока (если крутизна использовала выходное напряжение всегда будет расти в стороне пик входного напряжения , когда устройство было запущено и , таким образом , поражение цели регулирования). Точная точка переключения определялась по нагрузке на выходе источника постоянного тока, а также колебания входного переменного тока.

Тиристоры были использованы на протяжении десятилетий СВЕТОРЕГУЛЯТОРОВ в телевидении , кино и театр , где они заменили нижайшие технологии , такие как автотрансформаторы и реостаты . Они также используются в фотографии как критическая часть вспышек (стробы).

Амортизирующие схемы

Тиристоры могут быть вызваны высоким нарастанием скоростью от состояния напряжения. Это предотвращается путем подключения резистора — конденсатор (RC) , демпфер цепи между анодом и катодом , с тем чтобы ограничить DV / DT (то есть, скорость изменения напряжения с течением времени).

передача электроэнергии HVDC

Поскольку современные тиристоры могут переключить питание на шкале мегаватт , тиристорные вентили стали сердцем постоянного тока высокого напряжения (HVDC) преобразований либо или от сети переменного тока. В области этого и других приложений с очень высокой мощности, электрически срабатывает (ЭТТ) и светло-триггерным (LTT) тиристоры по- прежнему являются основным выбором. Клапаны расположены в штабелях , как правило , подвешенных к потолку здания передачи , называемому клапан залом . Тиристоры расположены в диодном мосте цепь и уменьшить гармоники соединены последовательно с образованием преобразователя 12-импульсным . Каждый тиристорный охлаждается деионизированной водой , и вся конструкция становится одним из множества идентичных модулей , образующих слой в многослойном пакете клапана называется четверка клапана . Три такой стека обычно устанавливает на полу или подвешена к потолку клапана зала объекта передачи на больших расстояниях.

Сравнения с другими устройствами

Функциональный недостаток тиристора является то , что, как и диод, он ведет только в одном направлении. Подобное 5-слойное устройство самоблокировки, называется симистором , способно работать в обоих направлениях. Эта дополнительная возможность, однако, также может стать дефицитом. Поскольку симистор может проводить в обоих направлениях, реактивные нагрузки могут привести к сбою отключить во моменты нулевого напряжения в сети переменного тока цикла питания. Из — за этого, использование симисторов с (например) в значительной степени индуктивной нагрузки на двигателе , как правило , требует использования в « демпфирующую » цепи вокруг симистора , чтобы гарантировать , что она выключит с каждым полупериодом сетевого питания. Обратные параллельные тиристоры также могут быть использованы вместо симистора; потому что каждый SCR в паре имеет целый полупериод обратной полярности приложенного к нему, тиристоры, в отличие от симисторов, обязательно выключить. «Цена» , чтобы платить за такую конструкцию, однако, дополнительная сложность из двух отдельных, но по существу идентичных схем стробирования.

Хотя тиристоры широко используются в мегаватта масштаб выпрямления переменного тока в постоянный ток, в малой и средней мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких десятков киловатт) приложений они практически были заменены другими устройствами с превосходными характеристиками переключения , как силовой МОП — транзисторы или IGBTs . Одна из основных проблем , связанных с тиристоров в том , что они не являются полностью управляемыми коммутаторами. GTO тиристорные и IGCT два устройства , связанные с тиристором , что решить эту проблему. В высокочастотных приложениях, тиристоры являются плохими кандидатами из — за длительное время переключения , связанное с биполярной проводимости. MOSFETs, с другой стороны, имеют более высокую скорость коммутирующей способности из — за их однополярной проводимости (только носители большинства несут ток).

режимы Failure

Производители тиристоров обычно указать область безопасности при стрельбе , определяющего допустимые уровни напряжения и тока для заданной рабочей температуры . Граница этой области частично определяются требованием , что максимально допустимая мощность затвора (Р _С ), указанная для заданной длительности импульса запуска, не превышена.

Так же как и обычные виды отказов из-за превышения напряжения, тока или мощности рейтинги, тиристоры имеют свои собственные специфические режимы отказа, в том числе:

• Включите ди / DT — в которой скорость нарастания включенного состояния тока после запуска выше, чем может быть поддержана расширяющей скоростью активной области проводимости (тиристоры и симисторы).
• Принудительная коммутация — в котором переходный ток восстановления пика обратного вызывает такое высокое падение напряжения в регионе к югу от катода, что он превышает обратное напряжение пробоя затвора катод диод перехода (только СНД).
• Включите ди / дт — тиристор может быть поддельно уволен без триггера из ворот, если анод-катод напряжения повышение скорости слишком велика.

тиристоры карбида кремния

В последние годы некоторые производители разработали тиристоры с использованием карбида кремния (SiC) в качестве полупроводникового материала. Они имеют применение в условиях высоких температур, способен работать при температурах до 350 ° С.

Типы

• ACS
• ACST
• АГТ — Анод ворота Тиристор — Тиристор с воротами на п-типа слоя вблизи анода
• ASCR — асимметричный SCR
• ВСТ — Двунаправленное управление Тиристор — Двунаправленное переключающее устройство, содержащее два тиристорных структур с отдельными контактами затвора
• БПК — опрокидывающий диод — это gateless тиристорный запускается лавинный ток
  • DIAC — Двунаправленный пусковое устройство
  • Динистор — однонаправленный коммутационное устройство
  • Шок диод — однонаправленный триггер и коммутационное устройство
  • SIDAC коммутационное устройство Двунаправленный —
  • Trisil , SIDACtor — двунаправленные устройства защиты
• БРТ — сопротивление базы тиристорные
• ЕТО — эмиттер Turn-Off тиристорный
• GTO — Gate Turn-Off тиристорный
  • DB-ГТО — Распределенная буфер ворот выключения тиристорные
  • МА-ГТО — Модифицированный Анод ворот выключения тиристора
• IGCT — Встроенный затвор-коммутируемый тиристор
• Запала — Свечи генераторы для пожарной зажигалки ЦКТСА
• LASCR — Light активированные SCR или LTT — световой срабатывают тиристор
• СЕЙ — свет активированных полупроводникового переключатель
• MCT — MOSFET тиристорный — Она содержит два дополнительных FET структуры для включения / выключения.
• CSMT или MCS — MOS композитный статический тиристорный индукции
• PUT или PUJT — Программируемый однопереходный транзистор — тиристор с затвором на п-типа слоя вблизи анода , используемого в качестве функциональной замены однопереходного транзистора
• RCT — обратный тиристора
• СКС — Кремний управляемый коммутатор или тиристор Тетрод — Тиристор с обоими катодом и анодом ворот
• SCR — Silicon Controlled Rectifier
• Ситы — Статический тиристорный Индукция или FCTh — поле тиристорных — содержащий структуру затвора , что может закрыть поток тока анода.
• ТРИАК — триод для переменного тока — Двунаправленное переключающее устройство , содержащее два тиристорных структур с общим контактом затвора
• Quadrac — особый тип тиристора , который сочетает в себе DIAC и TRIAC в одном пакете.

Обратный тиристора

Обратный тиристора (RCT) имеет встроенный обратный диод , так что не способен обратной блокировкой. Эти устройства имеют преимущество , когда необходимо использовать обратный или выбег диода. Поскольку SCR и диод не проводить в то же время они не производят тепло одновременно и могут быть легко интегрированы и охлаждают вместе. Реверс проведения тиристоры часто используются в частотных преобразователей и инверторов .

фототиристоров

Фототиристоров активируются светом. Преимущество фототиристоров является их нечувствительностью к электрическим сигналам, которые могут привести к нарушению работы в электрический шумной обстановке. Свет срабатывает тиристор (LTT) имеет оптический чувствительную область в его воротах, в которые электромагнитное излучение (обычно инфракрасный ) соединено с помощью оптического волокна . Так как никакие электронные доски не должны быть обеспечены при потенциале тиристора, чтобы вызвать его, свет срабатывает тиристоры может быть преимуществом в приложениях высокого напряжения , таких как HVDC . Легкие запускаемых тиристоры доступны со встроенным перенапряжением (ВБО) защитой, которая срабатывает тиристор , когда вперед напряжение на нем становится слишком высоким; они также были сделаны с встроенной защитой переднего восстановления , но не в коммерческих целях. Несмотря на упрощение они могут привести к электронике дроссельного HVDC, световые запускаемых тиристоры могут по- прежнему требуют некоторой простой электроники мониторинга и доступны только от нескольких производителей.

Два общих фототиристоры включают свет-активированный SCR (LASCR) и светло-активированный TRIAC . LASCR действует как переключатель, активирующий при воздействии света. После воздействия света, когда свет отсутствует, если питание не удаляются и полярность катода и анода еще не отменена, то LASCR все еще находится в состоянии «включено». Свет активированных TRIAC напоминают LASCR, за исключением того, что она предназначена для переменного тока.

Смотрите также

Рекомендации

источники

• Wintrich, Арендт; Nicolai, Ulrich; Tursky, Вернер; Рейман, Tobias (2011). Руководство по применению Ротаметры 2011 (PDF) (2 — е изд.). Нюрнберг: Semikron. ISBN  978-3-938843-66-6 . Архивировано из оригинального (PDF) на 2013-09-16.
• Теория Тиристоры и Вопросы проектирования ; ON Semiconductor; 240 страниц; 2006; HBD855 / D. (Free PDF скачать)
• Ulrich Николаи, Tobias Рейман, Jürgen Петцольдт Josef Лутц: Руководство по применению IGBT и MOSFET силовых модулей , 1. Издание, ОСТРОВ Verlag, 1998, ISBN  3-932633-24-5 . (Free PDF скачать)
• SCR Руководство ; 6 — е издание; General Electric Corporation; Prentice-Hall; 1979.

внешняя ссылка

Посмотрите тиристор в Wiktionary, бесплатный словарь.