Из чего состоит тиристор

Из чего состоит тиристор

Москатов Е. А. Книга «Электронная техника. Начало»

7. Тиристоры

7.1. Общая информация о тиристорах

Тиристорами называют переключательные полупроводниковые компоненты, имеющие четыре и более слоя и три и более чередующихся электронно-дырочных перехода. В качестве полупроводника обычно применяют кремний. К группе тиристоров относят динисторы, тринисторы, запираемые тиристоры, симисторы. У всех тиристоров на вольтамперной характеристике присутствует участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры в основном производят по технологии диффузии.

Амплитуда максимального тока некоторых тиристоров может достигать десятков тысяч ампер, а напряжение анод-катод – нескольких киловольт. После включения между выводами анод-катод тиристоров присутствует остаточное напряжение величиной обычно от 1,2 В до 2,5 В.

7.2. Динисторы

Динистором, или, по-другому, диодным тиристором, называют переключательный компонент с двумя выводами, который переходит в открытое состояние при превышении определённого напряжения, которое прикладывают между его выводами. Динисторы содержат три электронно-дырочных перехода. Схематичное изображение структуры динистора дано на рис. 7.1.

Вывод от внешней зоны n₂ называют катодом, а от зоны p₁ – анодом. Зоны n₁ и p₂ носят название баз динистора. Переход между зонами p₁, n₁ и p₂, n₂ именуют эмиттерным, а между зонами n₁ и p₂ – коллекторным переходом.

Если от источника питания к аноду динистора приложим небольшое отрицательное напряжение, а к катоду положительное напряжение, то центральный коллекторный переход будет открыт, а крайние эмиттерные переходы станут закрыты. Зоны n₁ и p₂ не могут преодолеть, поступающие из анода и катода основные носители зарядов, а, следовательно, они не достигнут базы динистора. В результате через динистор течёт небольшой обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда, и динистор закрыт. Если к аноду динистора приложим очень большое отрицательное напряжение, а к катоду – высокое положительное напряжение, то произойдёт лавинный пробой, что видно на вольтамперной характеристике динистора, показанной на рис. 7.2.

I – участок открытого состояния динистора, на котором его проводимость высока;

II – участок отрицательного сопротивления;

III – участок пробоя коллекторного перехода;

IV – участок в прямом включении, на котором динистор заперт, и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения пробоя;

V – участок обратного включения динистора;

VI – участок лавинного пробоя.

Если от источника питания к аноду динистора приложим небольшое положительное напряжение, а к катоду незначительное отрицательное напряжение, то коллекторный переход будет закрыт, а эмиттерные переходы станут открыты. Носители зарядов поступают из области катода n₂ в зону p₂ (электроны), а из области анода p₁ в зону n₁ (дырки). В указанных зонах баз носители заряда уже станут неосновными, и в результате в этих зонах возникает рекомбинация носителей зарядов, и из-за неё концентрации свободных носителей зарядов станут меньше. Поле коллекторного перехода будет ускоряющим для ставших неосновными носителей заряда, которые ввиду инжекции его преодолевают и оказываются в зонах, где они вновь будут основными. В областях p₁ и n₂ эти носители зарядов снова станут неосновными и вновь рекомбинируют. По причине рекомбинаций носителей зарядов проводимость динистора на участке IV мала и протекающий через него обратный ток также мал.

Если начать увеличивать постоянное напряжение, прикладываемое к динистору в прямом включении, то возрастает ширина коллекторного перехода и скорость носителей заряда, и становятся меньше интенсивности рекомбинаций, а прямой ток через динистор медленно возрастает. Чем больше будет прямое напряжение, тем интенсивнее станет ударная ионизация, порождающая новые носители заряда, что при определённом напряжении включения приведёт к лавинному пробою коллекторного перехода. Пробой сопровождает резкое увеличение проводимости динистора в прямом включении. Динистор открывается, и на нём будет падать небольшое остаточное напряжение.

Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.

7.3. Тринисторы

Тринистором, или, иначе, триодным тиристором, называют переключательный компонент с тремя электронно-дырочными переходами, и тремя выводами – анодом, катодом и управляющим электродом. Тринисторы обладают аналогичной динисторам структурой, а отличие состоит в наличии управляющего электрода – дополнительного вывода, подключённого к одной из баз. Если через управляющий электрод тринистора пропустить отпирающий ток, то тринистор перейдёт в открытое состояние. В зависимости от того, к какой именно из баз будет подсоединён управляющий электрод, можно организовать включение тринистора при приложении отпирающего напряжения между управляющим электродом и либо анодом, либо катодом. Вольтамперная характеристика тринистора похожа на вольтамперную характеристику динистора. Однако отпирание тринистора обычно происходит при существенно более низком прямом напряжении, чем необходимо динистору, и к открыванию тринисторной структуры приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода, тем при более низком прямом напряжении тринистор перейдёт в открытое состояние, что отражено на вольтамперной характеристике тринистора, изображённой на рис. 7.3.

На рисунке обозначено:

I – участок, на котором тринистор открыт;

II – участки отрицательного сопротивления и пробоя коллекторного перехода;

III – участок запертого состояния тринистора в прямом включении;

IV – участок обратного включения динистора.

Когда через управляющий электрод протекает отпирающий ток, возрастает скорость носителей заряда, которые инжектируются через коллекторный переход, что инициирует принудительное отпирание тринистора. После включения незапираемый тринистор не реагирует на изменение силы тока управляющего электрода. Чтобы закрыть тринистор, необходимо уменьшить силу тока, протекающего по аноду и катоду, ниже тока удержания, либо поменять полярность напряжения, приложенного между анодом и катодом. Если управляющий электрод тринистора обесточен, то тринистор функционирует совершенно так же, как динистор. В незапираемых тринисторах управляющий электрод занимает небольшой участок кристалла полупроводника, ориентировочно в несколько процентов.

Тринисторы широко применяют в регуляторах мощности, контакторах, ключевых преобразователях и инверторах и пр. Некоторое ограничение на внедрение тринисторов накладывает их частичная управляемость.

7.4. Запираемые тиристоры

Запираемые тиристоры, в отличие от тринисторов, которые были рассмотрены ранее, – это полностью управляемые компоненты, и под воздействием тока управляющего электрода они могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы выключить запираемый тиристор, нужно пропустить через управляющий электрод ток противоположной полярности, чем полярность, вызывавшая отпирание компонента. Для закрывания изначально открытого запираемого тиристора необходимо уменьшить сумму коэффициентов передачи эмиттерных токов ниже единицы и обеднить базы носителями зарядов, для чего управляющий электрод должен быть распределён по полупроводниковому кристаллу. Для этого управляющий электрод запираемого тиристора, как и катод, выполняют из множества однотипных ячеек, распределённых определённым образом по площади кристалла. Важным параметром рассматриваемых тиристоров выступает коэффициент запирания, который равен отношению тока анода к необходимому для выключения компонента обратному току управляющего электрода.

Запираемые тиристоры обычно используют в преобразовательной технике в качестве электронных ключей.

7.5. Симисторы

Симисторы, в отличие от обычных тиристоров, проводят ток анод-катод при протекании тока по управляющему электроду, как в прямом направлении, так и в обратном. В результате этого их вольтамперная характеристика симметрична, что отражено на рис. 7.4.

Таким образом, на вольтамперной характеристике каждого симистора присутствуют два участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Структура симистора содержит пять слоёв, что отражено на рис. 7.5.

К управляющему электроду, который отведён от зоны n₃, подсоединим вывод отрицательного напряжения, полученного от источника питания, относительно вывода от зон p₂, n₄, в результате чего электроны из зоны n₃ инжектируют в зону p₂. Кроме того, приложим напряжение от источника питания положительным полюсом к зонам p₁, n₁, а отрицательным полюсом к зонам p₂, n₄. Переходы П₁ и П₄ открыты, и играют роль эмиттерных переходов, а переход П₂ закрыт и исполняет обязанности коллекторного перехода, и через симистор по выводам анод-катод протекает ток.

Теперь поменяем полярность и приложим напряжение отрицательным полюсом к зонам p₁, n₁, а положительным полюсом к зонам p₂, n₄. Переходы П₁ и П₄ закрыты, и переход П₁ выполняет функции коллекторного перехода, а переход П₂ открыт и служит коллекторным переходом, и через симистор и в этом случае по выводам анод-катод течёт ток.

Симисторы нашли широкое применение в устройствах регулирования скорости вращения электродвигателей, в системах освещения, в электронагревателях, в преобразовательных установках.

7.6. Фототиристоры

Фототиристором называют специальный тиристор, в корпусе которого (в случае дискретного исполнения) предусмотрено окно, при облучении которого световым потоком тиристор переходит в открытое состояние. При облучении всего полупроводникового кристалла, либо только участка между катодом и управляющим электродом тиристора под действием фотонов возникает фотогенерация носителей заряда, и чем интенсивнее будет световой поток, тем больше станет ток, протекающий по тиристору. При достаточной освещённости ток через выводы анод-катод тиристора лавинообразно возрастает, что вызывает открывание тиристора. Длительность включения фототиристоров может достигать несколько микросекунд. Следует отметить, что спектр света, которым облучают полупроводниковую структуру, должен быть согласован с определённой длиной волны, к облучению которой фототиристор максимально чувствителен. Материалом фототиристоров, как и типовых тиристоров, обычно выступает кремний. Редко в качестве основного материала маломощных быстродействующих тиристоров выступает арсенид галлия.

Некоторые фототиристоры позволяют коммутировать токи силой до сотен ампер при напряжениях анод-катод в десятки киловольт и обеспечивают гальваническую развязку системы управления и исполнительной цепи. В результате между устройством управления и фототиристором не нужно включать дорогой, ненадёжный и крупногабаритный высоковольтный трансформатор, который был бы необходим для гальванической развязки обычного тиристора, включённого в цепь с высоким напряжением относительно земли.

7.7. Основные параметры тиристоров

К некоторым важнейшим параметрам тиристоров относят следующее:

Амплитуда повторяющегося импульсного напряжения, которое прикладывают к закрытому тиристору, B.

Длительность включения, т.е. такой отрезок времени, за который тиристор переходит в открытое состояние под действием импульса тока, протекающего по управляющему электроду, мс.

Критическая скорость нарастания напряжения на закрытом тиристоре, т.е. значение такой максимальной скорости нарастания напряжения, которое не приведёт к отпиранию тиристора, dU / dt.

Напряжение включения, т.е. такое напряжение, приложенное к динистору, при котором он переходит в открытое состояние, В.

Напряжение переключения, т.е. приложенное к тиристору напряжение во время переключения, В.

Неповторяющийся ударный ток тиристора в открытом состоянии, т.е. предельно допустимый ток через открытый тиристор, который не вызовет выход компонента из строя при кратковременном воздействии, по завершении которого сила тока станет много меньше, А.

Постоянный обратный ток, протекающий по выводам анод-катод тиристора в закрытом состоянии, мА.

Предельно допустимая амплитуда импульсов тока, протекающего через выводы анод-катод открытого тиристора, А.

Предельно допустимый постоянный ток через выводы анод-катод открытого тиристора, А.

Ток запирания, т.е. такой ток, протекающий по управляющему электроду, который инициирует переход тиристора из открытого состояния в закрытое состояние, А.

Ток удержания, т.е. минимальный ток такой силы, под действием которого тиристор не переходит в закрытое состояние, А.

Самодельные светорегуляторы. Часть вторая. Устройство тиристора

Первая часть статьи: Самодельные светорегуляторы. Разновидности тиристоров

После того, как было рассмотрено устройство и использование динистора, будет проще понять устройство и работу тринистора. Впрочем, чаще всего тринистор именуют просто тиристором, как-то привычнее.

Устройство триодного тиристора (тринистора) показано на рисунке 1.

На рисунке все показано достаточно подробно и в целом, кроме разве что другого корпуса, напоминает устройство динистора. Схема подключения нагрузки и элемента питания та же, что и у динистора.

В обоих случаях источник питания условно показан в виде батарейки, для того, чтобы видеть полярность подключения. Единственным новым элементом на этом рисунке является управляющий электрод УЭ, присоединенный, как уже говорилось ранее, к одной из областей «слоеного» полупроводникового кристалла.

Вольт–амперная характеристика тринистора показана на рисунке 2, и очень похожа на соответствующую характеристику динистора.

Рисунок 1. Устройство триодного тиристора

Рисунок 2. Вольт – амперная характеристика тринистора

Если предположить, что УЭ не используется, как, будто его вовсе и нет, то тринистор подобно динистору будет открываться при постепенном увеличении прямого напряжения между анодом и катодом. В справочниках это напряжение называется Uпр – прямое напряжение.

Если по справочнику прямое напряжение для конкретного тринистора 200В, а мы подаем на него все 300 или более, то тиристор откроется безо всякого напряжения на управляющем электроде. Об этом надо знать и всегда помнить, иначе возможны конфузные ситуации: «Поставили новый тиристор, а он оказался негодным».

Если на управляющий электрод подать положительное напряжение, естественно относительно катода, то открытие тиристора произойдет намного раньше, чем прямое напряжение достигнет предельной величины. Происходит как бы спрямление выброса вольтамперной характеристики, что и показано пунктирными линиями. В определенный момент характеристика становится похожа на аналогичную характеристику обычного диода, ток через УЭ достигает максимальной величины и называется током спрямления Iуэ.

Управляющий электрод по сути дела является поджигающим: для открытия тиристора достаточно короткого импульса в несколько микросекунд, далее УЭ свои управляющие свойства утрачивает вплоть до того, как тринистор будет выключен одним из доступных способов. Эти способы те же, что и для динистора, о них уже было сказано выше.

С помощью воздействия на управляющий электрод тринистор выключить невозможно, хотя, справедливости ради надо сказать, что существуют и запираемые тиристоры. Правда, распространены они весьма мало, и широкого применения, особенно в любительских конструкциях, не находят.

Еще один важный момент: сопротивление нагрузки должно быть таким, чтобы ток через нее был не менее тока удержания для данного типа тиристора. Если, например, регулятор нормально работает с лампочкой, например, 60Вт, то вряд ли будет работать, если вместо такой нагрузки подключить всего лишь неоновую лампочку.

После такого чисто теоретического знакомства можно перейти к практическим опытам, позволяющим с помощью простейших схем и приемов понять и запомнить, как работает тиристор. Тут уже приходит в действие известная народная мудрость: не доходит через голову, так дойдет через руки, или по-другому: «А руки-то помнят. » Очень хороший принцип, помогает практически всегда!

Простые занимательные эксперименты с тринистором

Проверка тиристора

Для проведения этих опытов понадобится тринистор типа КУ201 или КУ202 с любым буквенным индексом, источник питания, лучше, если регулируемый, несколько резисторов, лампочек, кнопки и соединительные провода. Сборку схем лучше всего проводить навесным монтажом, как будет показано на рисунках, естественно, с использованием паяльника. Схема, показанная на рисунке 3, позволит проверить тиристор на работоспособность.

Рисунок 3. Схема для проверки тиристора

Проще всего такую схему собрать с использованием трансформатора ТВК-110Л1, применялся в черно-белых телевизорах в качестве выходного кадровой развертки. При включении в сеть 220В безо всяких переделок на вторичной обмотке получается напряжение около 25В, что достаточно не только для описываемого эксперимента, но и для создания маломощных блоков питания, наподобие тех сетевых адаптеров китайского производства, что продаются в магазинах. Если нет в наличии трансформатора ТВК-110Л1, можно использовать любой с напряжением вторичной обмотки 12 — 20В мощностью не менее 5Вт.

Еще понадобится собственно сам тиристор, три полупроводниковых диода (можно заменить на 1N4007, как более распространенные в настоящее время), парочка лампочек на напряжение 12В (применяются в автомобилях для подсветки приборных щитков), кнопка и несколько резисторов. Если удастся найти лампы на напряжение 24В, то установка резисторов R3 и R4 не потребуется.

Резистор R2 предназначен для обеспечения необходимого тока удержания тиристора. Если применить более мощные лампы, то установка этого резистора не понадобится. Резистор R1 ограничивает ток в цепи управляющего электрода.

Методика пользования «прибором» достаточно проста. При включении прибора в сеть не должна зажечься ни одна из ламп. При нажатии на кнопку SB1 на время ее удержания должна засветиться лампа HL1. Если этого не произошло, то неисправность тиристора скрывается в управляющем электроде. Если при включении схемы сразу зажглись обе лампы, значит, тиристор просто пробит.

К слову сказать, этим прибором также можно проверять диоды: если вместо тиристора подключить диод в полярности указанной на схеме, то зажжется лампа HL1, а при изменении направления включения диода — HL2.

Тут может возникнуть вопрос: «А зачем проверять диоды таким способом, когда для этого существует обычный цифровой тестер?» Ответ на этот вопрос будет таков. Бывают случаи, хоть и редко, но метко, когда тестер, даже стрелочный, показывает, что диод исправен. И только «прозвонка» через лампочку показывает, что под нагрузкой диод «обрывается», лампочка не зажигается в каком бы направлении ни был подключен диод. Просто для обнаружения такого дефекта измерительного тока тестера не хватает. Кстати, такую «прозвонку» диода через лампочку, можно производить и от источника постоянного напряжения.

Небольшое лирическое отступление от темы

Те, кто занимается ремонтом, знают, что проверять детали приходится чаще всего, когда они запаяны в схему, и делать это приходится просто тестером. И в этой ситуации лучше всего пользоваться старым добрым стрелочным прибором, например, типа ТЛ4-М.

В режиме измерения сопротивлений эти приборы имеют больший измерительный ток, нежели современные цифровые тестеры, что позволяет удерживать в открытом состоянии тиристор типа КУ201, КУ202 или подобные. Методика проверки состоит в следующем. Измерение производится на пределе * Ω .

Сначала надо прикоснуться щупами тестера к аноду и катоду тиристора, естественно с соблюдением полярности. Стрелка прибора не должна отклониться. После этого замкнуть, например, пинцетом выводы УЭ и анода (корпуса). Стрелка должна отклониться примерно до половины шкалы, а после того, как пинцет будет убран, остаться на том же месте. Такой тиристор можно без опасения ставить в любую конструкцию.

Если же стрелка после размыкания цепи УЭ возвращается в исходную точку шкалы, это говорит о том, что ток удержания тиристора, даже нового, не паянного, очень большой, либо большой открывающий ток УЭ, и в некоторых случаях этот тринистор работать не будет.

Такой метод пригоден для отбраковки тиристров, в основном, отечественных. Импортные тиристоры, как правило, открываются более легко и надежно. Эта же методика подходит и для проверки симметричного тиристора (симистора).

Маленькое, но важное, замечание: у стрелочных тестеров в режиме измерения сопротивления плюсовой щуп омметра тот, который в режиме измерения постоянного напряжения является минусовым. Это надо знать, и помнить всегда. У цифровых тестеров плюс омметра там же, где и при измерении постоянного напряжения. Естественно, цифровым тестером вышеописанную проверку провести не удастся.

После того, как тиристор проверен, можно провести несколько простеньких экспериментов для практического ознакомления с его работой. Ну, это как раз из разряда «а руки-то помнят».

Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Тиристор в цепи постоянного тока

Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG , температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Среди способов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (или естественную коммутацию) и принудительное (или искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Способы принудительной коммутации весьма разнообразны. Наиболее характерны из них следующие: подключение предварительно заряженного конденсатора С ключом S (рис 3, а); подключение LC-цепи с предварительно заряженным конденсатором CK (рис 3 б); использование колебательного характера переходного процесса в цепи нагрузки (рис 3, в).

Рис. 3. Способы искусственной коммутации тиристоров: а) – посредством заряженного конденсатора С; б) – посредством колебательного разряда LC-контура; в) – за счёт колебательного характера нагрузки

При коммутации по схеме на рис. 3,а подключение коммутирующего конденсатора с обратной полярностью, например другим вспомогательным тиристором, вызовет его разряд на проводящий основной тиристор. Так как разрядный ток конденсатора направлен встречно прямому току тиристора, последний снижается до нуля и тиристор выключится.

В схеме на рис. 3,б подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего конденсатора Ск. При этом в начале разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Далее ток LC-контура переходит из тиристора VS в диод VD. Пока через диод VD протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде.

В схеме на рис. 3,в включение тиристора VS на комплексную RLC-нагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный характер с изменением полярности тока нагрузки iн. В этом случае после выключения тиристора VS происходит включение диода VD, который начинает проводить ток противоположной полярности. Иногда этот способ коммутации называется квазиестественным, так как он связан с изменением полярности тока нагрузки.

Тиристор в цепи переменного тока

При включении тиристора в цепь переменного тока возможно осуществление следующих операций:

включение и отключение электрической цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;

изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток только в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 4,а).

Рис. 4. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б)

Среднее и действующее значения тока варьируются за счёт изменения момента подачи на тиристоры VS1 и VS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт изменения угла и (рис. 4,б). Значения этого угла для тиристоров VS1 и VS2 при регулировании изменяется одновременно при помощи системы управления. Угол называется углом управления или углом отпирания тиристора.

Наиболее широкое применение в силовых электронных аппаратах получили фазовое (рис. 4,а,б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 4,в).

Рис. 5. Вид напряжения на нагрузке при: а) – фазовом управлении тиристором; б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией; в) – широтно-импульсном управлении тиристором

При фазовом методе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки возможно как за счёт изменения угла ? , так и угла ? . Искусственная коммутация осуществляется с помощью специальных узлов или при использовании полностью управляемых (запираемых) тиристоров.

При широтно-импульсном управлении (широтно-импульсной модуляции – ШИМ) в течение времени Тоткр на тиристоры подан управляющий сигнал, они открыты и к нагрузке приложено напряжение Uн. В течение времени Тзакр управляющий сигнал отсутствует и тиристоры находятся в непроводящем состоянии. Действующее значение тока в нагрузке

где Iн.м. – ток нагрузки при Тзакр = 0.

Кривая тока в нагрузке при фазовом управлении тиристорами несинусоидальна, что вызывает искажение формы напряжения питающей сети и нарушения в работе потребителей, чувствительных к высокочастотным помехам – возникает так называемая электромагнитная несовместимость.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, используемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных (сильнотоковых) цепей. Однако они имеют существенный недостаток – неполную управляемость, которая проявляется в том, что для их выключения необходимо создать условия снижения прямого тока до нуля. Это во многих случаях ограничивает и усложняет использование тиристоров.

Для устранения этого недостатка разработаны тиристоры, запираемые сигналом по управляющему электроду G. Такие тиристоры называют запираемыми (GTO – Gate turn-off thyristor) или двухоперационными.

Запираемые тиристоры (ЗТ) имеют четырехслойную р-п-р-п структуру, но в то же время обладают рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципиально отличное от традиционных тиристоров – свойство полной управляемости. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении идентична ВАХ обычных тиристоров. Однако блокировать большие обратные напряжения запираемый тиристор обычно не способен и часто соединяется со встречно-параллельно включенным диодом. Кроме того, для запираемых тиристоров характерны значительные падения прямого напряжения. Для выключения запираемого тиристора необходимо подать в цепь управляющего электрода мощный импульс отрицательного тока (примерно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но короткой длительности (10-100 мкс).

Запираемые тиристоры также имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (примерно на 20-30 %) по сравнению с обычными тиристорами.

Основные типы тиристоров

Кроме запираемых тиристоров разработана широкая гамма тиристоров различных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Среди них следует отметить следующие типы:

тиристор-диод , который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодом (рис. 6.12,a);

диодный тиристор (динистор) , переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного между А и С (рис. 6,b);

запираемый тиристор (рис. 6.12,c);

симметричный тиристор или симистор , который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);

быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);

тиристор с полевым управлением по управляющему электроду , например, на основе комбинации МОП-транзистора с тиристором;

оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) — симистор

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS . Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров применяются цепи формирования траектории переключения, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Тиристоры для чайников

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно тут.

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы

Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.

К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.