Тиристор

радиоликбез

Вы уже знакомы, из школьной программы и из публикаций в нашем журнале (в разделе “радиошкола”), с двумя видами полупроводниковых приборов, — “двухслойными “ (диодами) и “трехслойными” (транзисторами). Но есть еще один тип, — “тиристоры”, полупроводниковые приборы, имеющие четырехслойную структуру, состоящую из четырех чередующихся слоев “Р” и “N”. Причем тиристоры бывают диодные — с двумя выводами, и триодные — с тремя выводами.

Структура диодного тиристора показана на рисунке 1. Его можно представить как два транзистора разной структуры, “наложенных” друг на друга со сдвигом в один слой (рисунок 2). Это действительно так, и аналог тиристора можно сделать из двух разноструктурных транзисторов, как показано на рисунке 3. Условное обозначение диодного тиристора показано на рисунке 4.

В чем же особенность тиристора ? Дело в том, что тиристор имеет способность открываться тогда, когда прямое напряжение на нем превысит некоторую величину, характерную для конкретного тиристора.

А затем этот тиристор останется открытым до тех пор, пока ток через него не упадет ниже некоторого значения. При этом величина напряжения на нем уже роли играть не будет.

Вольт-амперная характиристика тиристора показана на рисунке 6. Таким образом, тиристор можно представить как диод, проводящие свойства которого включаются подачей на него некоторого напряжения Uвкл. И сохраняются до тех пор, пока ток через него не менее тока удержания Iуд. Если ток будет ниже 1уд, тиристор выключится и на него нужно будет снова подать напряжение включения.

Если последовательно с диодным тиристором включить лампочку, и подать на них напряжение, то лампочка будет включаться только тогда, когда напряжение превысит значение Uвкл.

В радиолюбительской практике чаще используются триодные тиристоры, — тиристоры, имеющие еще и третий вывод, управляющий электрод (У.Э.). Управляющий электрод подключается к внутренней Р-области структуры тиристора (рисунок 7, 8). При этом тиристор приобретает очень ценное свойство, — подачей некоторого положитель-ного напряжения на этот управляющий электрод можно значительно снижать напряжение включения. И тиристор будет открываться значительно раньше. Условное обозначение триодного тиристора показано на рисунке 9.

Возьмем для эксперементов наиболее распространенный триодный тиристор КУ202. Тиристор имеет большой металлический корпус как у мощного диода, но у него три вывода (рисунок 11), два вывода — катод и управляющий электрод можно паять, а анод выведен на корпус, так что провод к нему нужно крепить при помощи гайки.

Соберите несложную схему, показанную на рисунке 10. VS1 — тиристор КУ202, R1 — резистор сопротивлением 500-1000 Ом (0,5-1кОм), лампа Н1 — лампа накаливания на 12В, например от задних фонарей автомобиля, или сигнальная.К свободному выводу R1 припаяйте небольшой кусок гибкого монтажного провода, и свободный его конец зачистите.

Теперь от источника питания подайте на эту схему напряжение (9…15В, не более). Лампа гореть не будет.

Свободным оголенным концом монтажного провода, идущего от R1 прикоснитесь к точке “Б” (к плюсу источника питания). Лампа загорится. И будет гореть даже после отключения провода от точки “Б”. Тиристор включился и теперь ничто (кроме отключения питания) не может его выключить, никакие изменения на его управляющем электроде.

Если отсоединить один из проводов от источника питания, и подсоединить его снова. Лампа погаснет и гореть не будет. Что бы её включить нужно снова подать положительное напряжение на управляющий электрод тиристора.

Тиристоры часто используются в цветомузыкальных установках и в автоматах, переключающих лампочки. При этом они не только включают лампочки, но и выключают их. Но мы знаем что включенный тиристор можно выключить только разорвав цепь питания или понизив ток через него, практически до нуля. Как же работают эти устройства ?

Дело в том, что все эти автоматы управляют переменным сетевым напряжением, поступающим на лампы через простой диодный выпрямитель. В результате через тиристор протекает пульсирующий ток, значение которого постоянно изменяется от максимальной величины до нуля.

И тиристор выключается тогда, когда ток в сети проходит через нуль. Таким образом подав положительное напряжение на управляющий электрод тиристора мы включаем лампу, а сняв это напряжение выключаем, но это возможно только при питании лампы пульсирующим током. При постоянном токе такого не получится.

Принципиальная схема простой “мигалки”, работающей от сети переменного тока показана на рисунке 12. Мигалка может управлять одной елочной гирляндой. Гирлянда обозначена как одна лампа Н1, на самом деле это гирлянда. Но можно подключить и одну слабую лампочку на 220В (не более чем на 25Вт., иначе тиристор нагреется). Сопротивление R1 от 2-х до 3-х кОм, R2 — от 3-к до 6-ти кОм. R1 на 2 Вт, R2 не менее чем на 1 Вт. С1 на емкость от 220 до 1000 мкФ, и напряжение не менее 63 V. VD1 любой выпрямительный.

Принцип работы регулятора мощности на симисторе

12.02.2015 12.02.2015 / Симисторы

Небольшой полупроводниковый прибор «симистор», или симметричный тринистор (тиристор), за своим сложным названием скрывает достаточно простой принцип действия, сравнимый с работой двери в метро. Обыкновенные тиристоры можно сравнить с простой дверью: если ее закрыть, прохода не будет. И работает такая дверь в одном направлении. Симисторы же работают в обоих направлениях. Именно поэтому сравнение с дверью в метрополитене: куда ее не толкают, она отрывается и пропускает поток пассажиров в любом направлении.

Структура устройства и область его применения

Двухстороннее действие симистора обусловлено его особенной структурой. Его катод и анод способны, в некотором смысле, меняться местами и выполнять функции друг друга, пропуская ток в обратном направлении. Это возможно благодаря тому, что симистор имеет 5 полупроводниковых слоев и управляющий электрод. [attention type=green]Для простоты понимания физических процессов, протекающих в симисторе можно представить его в виде двух встречно-параллельно подключенных тиристоров.[/attention]

Симисторы применяются в различных схемах в качестве бесконтактных ключей и имеют ряд преимуществ перед контакторами, реле, пускателями и подобными электромеханическими элементами:

• симисторы долговечны, практически неубиваемы;
• там где есть электромеханика, есть ограничения по частоте коммутаций, износ, и соответствующие риски и проблемы, а с полупроводниками таких нюансов не возникает;
• полное отсутствие искрообразования и связанных с ним рисков;
• возможность проводить коммутацию в моменты нулевого сетевого тока, что снижает помехи и влияние на точность работы схем.

Схема простого регулятора мощности на симисторе

Чаще всего симисторы применяются в схемах регулирования мощности. Один из самых простых и распространенных регуляторов мощности на симисторе КУ208Г показан ниже.

Как видно на рисунке, силовая цепь схемы оснащена симистором типа КУ208, а цепь его управления включает лишь один элемент – транзистор типа П416А. Наладка работы устройства сводится в итоге к подбору номинала резистора R1 и проходит в такой последовательности:

• движок резистора R4 установить в нижнее положение;
• вместо резистора R1 установить переменный резистор с сопротивлением 150 Ом;
• установить переменный резистор в максимальное положение;
• подключить к нагрузке вольтметр переменного тока;
• подключить устройство к сети.

[blockquote_gray]Для того, чтобы правильно подключить датчик движения, схема подключения его должна соответствовать предварительно выбранному месту установки и количеству подключаемых устройств.

Очень важно при этом проверить корректность работы осветительных приборов и отрегулировать соответствующие параметры датчика.

Данное оборудование, благодаря своим технологичным качествам, набирает все большую популярность при обустройстве освещения в домашних условиях. Прочитав интересную статью, можно разобраться в принципе работы различных датчиков движения, что поможет в дальнейшем выборе подходящего прибора для своего дома.[/blockquote_gray]

Далее необходимо вращать движок резистора R1 и отслеживать напряжение на нагрузке: необходимо добиться, чтобы оно перестало увеличиваться. В найденном положении необходимо измерить сопротивление переменного резистора, и соответственно будет установлено необходимо сопротивление резистора R1. Именно с таким номиналом необходимо будет установить постоянный резистор R1 в схему на место переменного образца.

Обратная связь в симисторных схемах регулирования

Для управления мощностью (температурой) нагревательных элементов различных приборов, скоростями вращения двигателей и т. д. в последнее время, несмотря на большую стоимость, чем электромеханика, применяется регулятор мощности на симисторе. Необходимость использования дополнительного радиатора для такой схемы – это небольшая плата взамен отсутствию рисков искрения, долгому сроку безотказной работы, стабильности выдаваемых параметров.

[attention type=yellow]Такая схема регулирования распространена в приборах типа паяльников, электродрелей и т.д.[/attention]
Ниже приведен пример еще одной схемы регулирования мощности на симисторе. Это схема для регулирования скорости двигателя промышленной швейной машины.

Схема собрана на симисторе VS1, выпрямительных вентилях VD1 и VD2, и переменном резисторе R3 в цепи управления. Особенностью и ключевой отличительной чертой такой схемы является обратная связь. Симистор, пропускающий ток в обоих направлениях – это лучшее решение для схем регулирования, где необходимо наличие такой обратной связи.

[blockquote_gray]При выборе типа защитных устройств в первую очередь учитывают их технические возможности монтажа в совокупности индивидуальных предпочтений. Это и является определяющим в решении вопроса: УЗО или дифавтомат — что выбрать? Только изучив особенности их работы, можно достичь безопасного функционирования бытовой электросети.

Применяя устройства защитного отключения в домашних условиях, необходимо знать особенности различных его видов — чтобы правильно выбрать, а также изучить схемы установки — чтобы верно подключить.[/blockquote_gray]

Сравнивая с устаревшими коммутационными технологиями, можно обозначить еще одно явное преимущество схем регулирования мощности на симисторах – это возможность обеспечения качественной обратной связи и соответственно корректировки работы по обратной связи.

Особенности и преимущества схемы:

1. В данном случае реализована обратная связь по нагрузке, что позволяет усиливать обороты двигателя и обеспечивать плавную бесперебойную работу машины в случае возрастания нагрузочных усилий. При этом все операции выполняются схемой автоматически. Не возникает искрений или перегрева. Как видно из рисунка, теплоотвода не предусмотрено.

[attention type=red]Данная схема – это регулирование активной мощности приборов. Не рекомендуется применение таких схем в системах регулирования интенсивности освещения. По ряду причин, осветительные приборы будут сильно мигать.[/attention]

2. Коммутация симистора в данной схеме происходит строго в моменты перехода через «0» сетевого напряжения, поэтому можно заявлять о полном отсутствии помех со стороны регулятора.
3. Приводится в действие, то есть включается симистор от поступающего на управляющий электрод положительного импульса при положительном напряжении на аноде, либо от отрицательного импульса при отрицательном положении на катоде. Катод и анод, учитывая особенности двунаправленной работы симистора тут условные. в зависимости от работы в разных направлениях они будут меняться функциями.
4. В роли источника импульсов для управления симистором может быть применен двунаправленный динистор. Либо, из соображений удешевления схемы, можно подключить во встречно-параллельном направлении пару обыкновенных динисторов. Для обеспечения большей ширины диапазона регулирования малых напряжений оптимальным выбором станут динисторы типа КНР102А. Еще один вариант ключевого элемента – лавинный транзистор.
5. Регулирования активной и реактивной мощности имеют некоторые отличительные особенности. Управление индуктивной нагрузкой требует включения в схему RC-цепочки (параллельно симистору). Это позволит сдерживать скорость увеличения напряжения на аноде симистора.

Видео о симисторном регуляторе мощности

TRIAC

Эксплуатация и характеристики | Запуск симистора

Основная конструкция, эквивалентная схема, графическое обозначение, работа и характеристики симистора показаны на рис. 19-21. TRIAC ведет себя как два тиристора, соединенных встречно-параллельно, с одним выводом затвора. Секции n ₁ ,p ₂ ,n ₃ и p ₃ на рис. Рис. 19-21(б). Аналогично, стр. ₁ , n ₂ , p ₂ и n ₄ образуют еще один SCR с эквивалентной схемой транзистора Q ₃ и Q ₄ . Уровень p ₂ , общий для двух SCR, функционирует как шлюз для обеих секций устройства. Две внешние клеммы не могут быть идентифицированы как анод и катод; вместо этого они обозначены как главный терминал 1 (MT1) и главный терминал 2 (MT2), как показано на рисунке. Символ схемы TRIAC состоит из двух обратно-параллельно соединенных символов SCR, [Рис. 19-21(с)].

Когда MT2 положителен по отношению к MT1, транзисторы Q ₃ и Q ₄ могут быть запущены на [Рис. 19-21(б)]. В этом случае текущий поток идет от МТ2 к МТ1. Когда MT1 положителен по отношению к MT2, могут быть включены Q ₁ и Q ₂ . Сейчас текущий поток идет от МТ1 к МТ2. Видно, что TRIAC может работать в любом направлении. Независимо от полярности напряжения MT2/MT1 характеристики TRIAC такие же, как у SCR с прямым смещением. Это иллюстрируется типичной работой TRIAC и характеристиками, показанными на рис. 19.-22.

Запуск симистора:

Характеристики и символ схемы на рис. 19-22 показывают, что когда MT2 положителен по отношению к MT1, симистор может быть запущен при подаче положительного напряжения на затвор. Точно так же, когда MT2 отрицателен по отношению к MT1, отрицательное напряжение затвора запускает устройство в проводимость. Однако отрицательное напряжение затвора также может запускать симистор, когда MT2 положительный, а положительное напряжение затвора может запускать устройство, когда MT2 отрицательный.

На рис. 19-23 показаны условия срабатывания симистора 2N6346, 8 А, 200 В. Полярность напряжения для MT2 обозначается как MT2(+) или MT2(-), а полярность затвора указывается как G(+) или G(-). Из первой строки спецификации видно, что при положительном МТ2 напряжение срабатывания затвора устройства составляет минимум +0,9 В и максимум +2 В. Со второй линии, все еще с положительным МТ2, запуск может производиться отрицательным напряжением затвора; От -0,9 В до -2,5 В. Третья строка показывает отрицательное значение MT2 и напряжение запуска затвора от -1,1 В до -2 В. Кроме того, при отрицательном значении MT2 (четвертая строка) запуск может осуществляться положительным напряжением затвора; от +1,4 В до +2,5 В.

Условия запуска TRIAC дополнительно показаны на диаграмме на рис. 19-24. Вертикальная линия определяет положительное или отрицательное значение MT2, а горизонтальная линия показывает положительное или отрицательное напряжение затвора. Работа и характеристики TRIAC определяются как работающие в одном из четырех квадрантов: I, II, III или IV. В квадранте I MT2 положительный, напряжение затвора положительное, а ток течет от MT2 к MT1, как показано. Когда MT2 положительный, а устройство запускается отрицательным напряжением затвора, симистор работает в квадранте II. В этом случае текущий поток по-прежнему идет от MT2 к MT1. Работа квадранта III происходит, когда MT2 отрицательный и напряжение затвора отрицательное. Текущий поток теперь от MT1 к MT2. В квадранте IV MT2 снова отрицательный, напряжение на затворе положительное, а ток течет от MT1 к MT2.

Обычно симистор работает либо в квадранте I, либо в квадранте III. Когда это является желательным условием, может быть необходимо спроектировать схему так, чтобы избежать срабатывания квадранта II или квадранта IV.

DIAC:

DIAC представляет собой слаботочный симистор без клеммы затвора. Включение осуществляется повышением приложенного напряжения до напряжения отключения. Два различных общеупотребительных символа DIAC показаны на рис. 19-25(a), а типичные характеристики DIAC показаны на рис. 19.-25(б). Обратите внимание, что клеммы обозначены как анод 2 (A ₂ ) и анод 1 (A ₁ ). На рис. 19-26 показаны частичные характеристики двух DIAC. HS-10 имеет коммутационное напряжение в диапазоне от минимального 8 В до максимального 12 В. Максимальный ток переключения составляет 400 мкА. Напряжение переключения HS-60 составляет от 56 В до 70 В, а максимальный ток переключения составляет 50 мкА. Оба устройства имеют рассеиваемую мощность 250 мВт и каждое заключено в цилиндрический слаботочный диодный корпус. DIAC чаще всего применяются в цепи запуска SCR и TRIAC.

Triac Принцип работы, структура, характеристика VI и применение

Triac — это двунаправленное устройство, позволяющее току течь в обоих направлениях. здесь мы обсудим работу симистора и его характеристики. В семействе SCR, после SCR, симистор является наиболее широко используемым устройством для управления мощностью. Симистор представляет собой трехполюсное устройство, выводы которого называются основными выводами 1, 2 (MT1 и MT2) и затвором, из которого затвор является управляющим выводом.

Триаки с большим номинальным напряжением и током теперь доступны на рынке. Симистор является двунаправленным устройством, т.е. ток может протекать через него в обоих направлениях. (Обратите внимание, что SCR является однонаправленным устройством). Базовая структура симистора показана на рисунке.

Структура симистора:

Его работа эквивалентна двум тиристорам, соединенным встречно-параллельно. Две главные клеммы обозначены MT1 и MT2 (главная клемма 2 и главная клемма 1). Ворота находятся рядом с MT1.

Когда затвор открыт, симистор блокирует обе полярности напряжения на MT1 и MT2, если величина напряжения меньше напряжения отключения устройства. (см. характеристики симистора). Это означает, что симистор останется в выключенном состоянии.

Внутренняя структура симистора

Работа симистора и характеристики Vi:

Характеристики симистора показаны на рисунке и аналогичны характеристикам тринистора как в блокирующем, так и в проводящем состояниях. Единственное отличие состоит в том, что SCR проводит только в прямом направлении (анод-катод), тогда как симистор проводит в обоих направлениях.

Другим отличием в работе является спусковой механизм. Симистор можно включить, подав на затвор положительное или отрицательное напряжение относительно вывода МТ. Принимая во внимание, что SCR может быть запущен только положительным стробирующим сигналом.

VI характеристики симистора с четырехрежимным

Как видно из рисунка, характеристики симистора такие же, как и у двух встречно включенных тиристоров.

Влияние тока затвора также одинаково, т.е. с увеличением тока затвора снижается напряжение пробоя. В симисторе ток затвора может быть положительным или отрицательным, тогда как в SCR ток затвора может быть только положительным.

Характеристики симистора можно разделить на три области действия:

Состояние блокировки или состояние выключения.

Переходное или нестабильное состояние.

Состояние проводимости или состояние.

В зависимости от полярности напряжения, подаваемого между его клеммами MT2 и MT1, он будет работать либо в первом, либо в третьем квадранте, как показано на рисунке.

MT2 положительный вес. MT1: Операция в первом квадранте

MT2 отрицательный вес. MT1: Операция находится в третьем квадранте.

 

Различные состояния работы симистора (работы):

Три важных состояния работы симистора:

Состояние блокировки вперед.

Обратное состояние блокировки.

Проведение или по гос.

 

Состояние блокировки в прямом направлении: (MT2 положительный по отношению к MT1):

Когда прямое напряжение меньше напряжения отключения Vn при открытом выводе затвора, симистор может успешно блокировать прямое напряжение без включения.

Обратное состояние блокировки: (MT1 положительное по отношению к MT2):

Когда обратное напряжение меньше напряжения отключения Vpo при разомкнутом затворе, симистор блокирует обратное напряжение, не включившись.

Состояние проводимости или ВКЛ.:

Симистор эквивалентен двум тиристорам, соединенным встречно-параллельно. Следовательно, это двунаправленное устройство, которое может проводить как положительные, так и отрицательные полупериоды напряжения питания.

Ток затвора может быть положительным или отрицательным. Прямое и обратное напряжение пробоя уменьшается с увеличением тока затвора.

В зависимости от полярности напряжения питания и полярности тока затвора симистор может работать в четырех различных режимах работы следующим образом: l, ll. Ллл и Вл.

 

Работа симистора и режимы работы:

l, ll, III и VI — четыре режима работы симистора, где I или IIl представляет квадрант работы, а знаки (+) и (-) указывают направление тока затвора. Чувствительность режима определяется как минимальный ток затвора, необходимый для включения симистора в этом режиме. Чувствительность I режима самая высокая, а III режима самая низкая.

Рейтинг симистора:

Преимущества симистора:

• Это двунаправленное устройство. Таким образом, мы можем контролировать мощность, подаваемую на нагрузку в обоих полупериодах переменного тока.