Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик

Классификация

По способу управления

Различают:

• диодные тиристоры (динисторы). Их открывание происходит за счет подачи импульса высокого напряжения между анодом и катодом.
• триодные тиристоры (тринисторы). Их открывают подачей управляющего тока на управляющий электрод.

Триодные тиристоры бывают:

• с управлением по катоду – напряжение, формирующее управляющий ток, подается между управляющим электродом и катодом.
• с управлением по аноду – напряжение, формирующее управляющий ток, подается между управляющим электродом и анодом.

Запирание может осуществляться путем:

• снижения тока анод – катод ниже тока удержания (применимо для динисторов, запираемых и незапираемых тринисторов)
• подачи запирающего напряжения на управляющий электрод (применимо для запираемых тринисторов)

По обратной проводимости

По обратному напряжению тиристоры подразделяются на:

• Проводящие в обратном направлении (обратно-проводящие) – имеют небольшое (несколько вольт) обратное напряжение
• Непроводящие в обратном направлении (обратно-непроводящие) – имеют обратное напряжение, соизмеримое с максимальным прямым напряжением в закрытом состоянии
• С ненормированным обратным напряжением – производитель не публикует и не гарантирует какое-либо значение этого параметра. Такие тиристоры могут использоваться только в схемах, где подача обратного напряжения исключена.
• Симметричные (симисторы) – прибор коммутирует токи, проходящие в обоих направлениях.

Применяя симисторы, следует помнить, что они работают симметрично только на первый взгляд. Большинство распространенных симисторов хорошо открываются, когда на управляющий электрод подано положительное напряжение относительно катода, а на анод напряжение любой полярности, а также когда на управляющий электрод подано отрицательное напряжение относительно катода, и на анод напряжение отрицательной полярности. Но когда на анод подано отрицательное напряжение, а на управляющий электрод положительное, то они не открываются или даже выходят из строя. Проектируя симисторную схему, нужно свериться с документацией конкретного симистора, понять, какие управляющие сигналы являются допустимыми (приведенные выше ограничения являются типичными, но у отдельных типов симисторов могут быть другие ограничения) и убедиться в том, что в схеме будет подаваться правильные сигналы.

По мощности

При работе в ключевом режиме максимальная мощность переключаемой нагрузки определяется напряжением на тиристоре в открытом состоянии при максимальном токе и максимальной рассеиваемой мощностью. Действующее значение тока через нагрузку не должно превышать максимальную рассеиваемую мощность, деленную на напряжение в открытом состоянии.

При работе в других режимах следует ориентироваться на максимальную рассеиваемую мощность тиристора.

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 идействующее 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 α, так и угла θ. 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.

Тиристор серии Т160

Силовыей полупроводник тиристор Т160 является прибором, за основу которого выступает монокристалл полупроводника с определенным количеством переходов, а именно 3 и больше p-n переходов; имеет 2 устойчивые состояния – закрытое (низкая проводимость) и открытое (высокая проводимость). Разновидности тиристоров подразделяют на группы в зависимости от:

• способа управления
• их проводимости
• тиристоров, которые проводят токи в 1 направлении
• тиристоров, которые проводят токи в 2 направлениях

Своеобразная особенность штыревых тиристоров Т160 – способность проводить токи лишь по одному направлению и не переходить в состояние «закрыто». Сигнал управления включает прибор, а для его отключения нужно создать снижение до нуля прямых токов. Тиристор используют в таких устройствах: электронных ключах, управляемых выпрямителях, преобразователях (инверторах), регуляторах мощностей (диммерах), электронном зажигании.

Принцип работы тиристора Т160:

Тиристор представляет собой прибор, который не полностью управляем. Это значит, что получив сигнал от объекта управления, он способен всего лишь войти во включенное состояние. Для выключения прибора человек выполняет дополнительные работы, которые способствуют тому, что уровень напряжения падает до нуля. Функционирование тиристора основано на том, что используется силовые электрические поля. Чтобы переключить прибор из режима 1 в режим 2, используют технологию управления, которая передает нужный сигнал. В процессе этого действия токи движутся лишь в определенном направлении. Выключенный тиристор может выдержать прямое напряжение, также обратное.

Полупроводники Т160 используются в:

• ключевых узлах схем управления радиоэлектроники;
• сварочном оборудовании;
• регуляторах цепей переменного тока.

Силовые тиристоры серии Т160 выполняют работу в цепях с постоянным и переменным током (до 500Гц) в электрических преобразователях, а также в регулирующем бесконтактном оборудовании.

Штыревая конструкция тиристора в металлокерамическом корпусе с гибким выводом и прижимными контактами.

Применение тиристоров

Итак, как вам стало известно ранее, основным назначением тиристоров является их способность управлять мощностью нагрузки.

Кроме того, они имеют ряд других достоинств, а именно: быть “выпрямителем”, иметь два номинально-устойчивых положения, служить в качестве усилителя тока. Именно из-за вышеназванных качественных особенностей, полупроводниковый прибор нашел достаточно широкое применение.

Тиристор используют в роли включателя/выключателя/переключателя в электрических коммутационных устройствах, ведь он способен замыкать и размыкать электроцепь.

Также его активно задействуют как аппарат преобразования (так как тиристор способен генерировать постоянный ток в переменный) в солнечных батареях, в системах бесперебойного питания и в других областях, связанных с электроснабжениях.

Следует сказать и о возможностях тиристора в электронном зажигании, ведь устройство эксплуатируют в двигателях внутреннего сгорания, трамблерах и аккумуляторах для работы стартера.

Если говорить про быт, то надо напомнить, что полупроводниковое устройство применяется в сварке или машиностроении в качестве все того же инвертора.

Устройство тиристора

Фиксирование устойчивого состояния прибора возможно благодаря наличию ряду особенностей во внутреннем строении устройства. На представленной ниже схеме можно в этом убедиться:

На этой структуре становится очевидным тот факт, что тиристор представлен в виде 2-х простых электронных транзисторов, которые не похожи по своей структуре, однако связаны между собой. Кроме того, ключевую роль в составе полупроводникового электроприбора играют три следующих звена:

• Катод;
• Анод;
• Электрод управления.

Из-за того, что тиристор имеет четыре последовательно-соединенных диода, его переходный слой имеет такую форму: (р) — (п) — (р) — (п). Этот факт объясняет пропускную способность I, который течет лишь в единственной направленности направлении: от плюса к минусу.

Говоря и описывая внешний вид тиристоров, надо сказать, что они производятся из разных корпусов, поэтому исключен вариант с простым отводом тепла, однако, из-за наличия массивного металлического корпуса, способны выдерживать большие токи.

Регулятор тиристора

Важным элементом в системе тиристора является регулятор мощности. Именно его схему мы и рассмотрим:

Данная структура выглядит достаточно просто. Наш диммер (в вышепредставленной конструкции) питается и работает благодаря наличию переменного тока в электросети, напряжение которой составляет 220 Вольт.

Перейдем к составу, регулятор мощности в данном случае включает в себя:

1. Диод полупроводника “vd1”;
2. Резистор “r1” переменного назначения;
3. Резистор “r2” постоянного назначения;
4. Емкость малой проводимости “c1”;
5. Переключающий прибор Тиристор “vs1”.

Все величины, которые рекомендуется использовать для номинальной схемы, представлены на картинке. Кроме того, надо сказать, что в роли “vd1” (диода) можно применить либо элемент “KД-209”, либо “КУ-103В”, мощность которых больше 2-х Ватт, а напряжение не меньше 50-ти Вольт.

Как узнать Ватт? Используй ваттметр.

Данная структура управляет только одним полупериодом в сетевом процессе. В том случае, если исключить отсюда 4 элемента, кроме полупроводникового диода, тогда он сможет пропустить лишь половину волны с переменным током, а нагрузка, например, на устройства паяльника или лампы накаливания придет только около пятидесяти процентов всей силы выхода.

Способности тиристора

Тиристор способен пропустить условные, говоря простым языком, дополнительные блоки половинчатого периода, которые срезаны “vd1” элементом. Если происходит изменение местоположения резистора “r1” переменного назначения, то работа эффективности электрической системы тоже изменится (в большую или меньшую сторону, в зависимости от напряжения).

К электро-положительному выходу на конденсаторе подключен выводная управляющая трубка прибора. В том случае, когда происходит увеличение напряжения на конденсаторе, то есть величина его доходит определенного уровня, тогда он и начинает пропускать половинчатую часть “+”-го периода.

Резистор переменного назначения сможет определить скоростную способность зарядки устройства. Таким образом, чем раньше зарядка достигнет максимального значения, тем быстрее произойдет открытие тиристора и ему удастся пустить половину полупериода в полярной части.

Стоит сказать и о пассивном электронном компоненте, на который не попадает часть отрицательной полуволны, однако, это не опасно, ведь конденсатор имеет полярное свойство, что позволяет регулировать напряжение на концах элемента.

Итак, наша структура показывает следующее: диммер способен изменить значение мощности в диапазоне 50-ти и 100-та процентов (что является абсолютной нормой для “среднестатистического паяльника”).

Виды регуляторов мощности

Теперь предлагаю вам рассмотреть все виды регуляторов мощности, их достаточно много, но небольшие знания о них не помешают точно никому:

• Диммер. Тот самый инструмент , про который шла речь в нашей структуре. Чаще всего его используют в качестве управляющего элемента мощностной нагрузки, при этом, в цепь подключается последовательно. Если мы говорим о статистике, то диммер применяется ради поправки световой яркости в различных типах ламп;
• Автоматический регулятор мощности. Представляет из себя электронную структуру, которая позволяет изменить показания подводимой мощности (это происходит благодаря удержанию процесса включения прибора в работу на половинчатом периоде с переменным током);
• Регулятор “Симосторной” мощности. Аналог автоматического регулятора, также используется в электроцепях с переменным током (применяется для мгновенных изменений различных параметров цепи);
• Авто-электронный регулятор мощности. Это система, предназначенная для регулирования мощности хода и для управленческого процесса в оборотах электродвигателей;
• “Дуговой” диммер мощности. Это элемент, имеющий ту конструкцию, которая способна обеспечить поддержку на постоянной основе определенному значению дугового горения.

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

Вольт-амперная характеристика

Принцип действия тиристора наглядно демонстрирует его ВАХ. Она, как и характеристика обычного диода, расположена в I и III квадрантах и состоит из положительной и отрицательной ветвей. Отрицательная ветвь также подобна диодной и содержит участок, при котором прибор заперт — от нуля до Uпробоя. При достижении порогового напряжения происходит лавинный пробой.

Положительная ветвь требует внимательного рассмотрения. Если приложить к тиристору прямое напряжение и начать его увеличивать, то ток будет расти медленно – сопротивление закрытого полупроводникового прибора высоко. Это красный участок графика. При достижении определенного уровня тиристор скачкообразно открывается, его сопротивление уменьшается, падение напряжения также уменьшается, ток растет – синий участок. Этот участок характеризуются отрицательным сопротивлением, но прибор ведет себя здесь неустойчиво, с выраженной тенденцией перехода в открытое состояние.

Далее тиристор выходит в режим обычного диода – зеленая ветвь графика. Так работает диодный тиристор, а способность открываться при достижении определенного уровня называется динисторным эффектом.

Способы монтажа триаков

При малых нагрузках или коротких импульсных токах нагрузки (меньше 1 с), можно использовать триак без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях его применение необходимо.

Существует три основных метода фиксации триака к теплоотводу — крепление зажимом, крепление винтом и клепка. Наиболее распространены первые два способа. Клепка в большинстве случаев не рекомендуется, так как может вызвать повреждение или деформацию кристалла, что приведет к выходу прибора из строя.

Фиксация к теплоотводу зажимом

Это — предпочтительный метод с минимальным тепловым сопротивлением, так как зажим достаточно плотно прижимает корпус прибора к радиатору. Это одинаково подходит как для неизолированных (SOT82 и SOT78), так и для изолированных корпусов (SOT186 F-корпусов и более ранних SOT186A X-корпусов). SOT78 известен еще как TO220AB.

Фиксация к теплоотводу при помощи винта

1. Набор для монтажа корпуса SOT78 включает прямоугольную шайбу, которая должна быть установлена между головкой винта и контактом без усилий на пластиковый корпус прибора.
2. Во время установки наконечник отвертки не должен воздействовать на пластиковый корпус триака (тиристора).
3. Поверхность теплоотвода в месте контакта с электродом должна быть обработана с чистотой до 0,02 мм.
4. Крутящий момент (с установкой шайбы) должен быть между 0,55–0,8 Н·м.
5. По возможности следует избегать использования винтов-саморезов, так как это снижает термоконтакт между теплоотводом и прибором.
6. Прибор должен быть механически зафиксирован перед пайкой выводов. Это минимизирует чрезмерную нагрузку на выводы.

Суть устройства

Термин «тиристор» произошёл из-за слияния двух слов: греческого hýra — дверь или вход и английского resistor — сопротивляющийся. Этим названием было названо полупроводниковое устройство, изготавливаемое на основе монокристалла полупроводникового вещества и обладающего тремя и более p-n переходами. При работе этот прибор может иметь два устойчивых положения:

• закрытое — соответствующее низкой проводимости;
• открытое — неоказывающее сопротивление прохождению тока.

То есть, перефразируя определения, можно сказать, что тиристор работает как ключ, по аналогии с дверью. В одном его состоянии замок на дверях открыт, и через неё могут свободно проходить люди (электрический ток), а в другом закрыт и дверь заперта. Поэтому нередко его называют электронный выключатель. Выражаясь же научным языком, его правильное название звучит как полупроводник с управляемым вентилем (диодом).

Принятие элементом одного из устойчивых состояний происходит быстро, но не мгновенно. Чтобы сменить одно на другое, используется напряжение. Когда оно есть, тиристор находится в открытом состоянии, а когда нет — закрывается. Для этого используется специальный дополнительный вывод. Поэтому прибор имеет три выхода и по виду похож на транзистор. При этом их принцип действия схож, только в отличие от транзистора тиристор либо полностью пропускает ток, либо препятствует его прохождению.

Принцип работы

Тиристоры по своей сути — это переключающие приборы. Структура простого элемента состоит из n-p-n-p слоёв и имеет три перехода. Два из них работают в прямом направлении, а один в обратном. Прибор имеет две крайние области, называемые анодом (p) и катодом (n). Для понимания принципа действия тиристора его можно представить в виде сдвоенных транзисторов: n-p-n и p-n-p. При этом средняя зона второго транзистора (n) соединена с крайней зоной первого.

Физические процессы, происходящие в элементе, можно описать следующим образом. При существовании лишь одного перехода в устройстве бы возникал лишь обратный ток, вызванный неосновными носителями заряда. Если к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение, то ток коллектора увеличится, а напряжение на нём уменьшится. В транзисторе для перехода его в режим насыщения (максимальная пропускная способность) на эмиттер подаётся прямое напряжение, при этом оно между базой и коллектором снижается до единичных значений.

Так и в тиристоре. Через переходы анода и катода инжектируются неосновные заряды, приводящие к снижению сопротивления управляющего электрода. При приложении прямого напряжения, то есть к катоду — минусовой потенциал, а к аноду — плюсовой, через прибор начинает протекать небольшой ток. Это состояние соответствует закрытому положению.

При достижении напряжением определённого значения эти два явления уравновешиваются, и даже возрастание на небольшую величину напряжения приводит к возникновению лавинообразного процесса отпирания тиристора. Это состояние напоминает режим насыщения транзистора. Сопротивление перехода становится минимальным, а величина тока определяется нагрузочным сопротивлением.

Характеристики и параметры

Тиристор — это прибор, одновременно совмещающий в себе три функции: выпрямителя, выключателя и усилителя. Основные свойства, характеризующие прибор можно представить в виде следующих пунктов:

• тиристор по подобию диода пропускает ток только в одном направлении, то есть работает как выпрямитель;
• прибор переключается из одного состояния в другое при помощи напряжения;
• величина тока, необходимая для переключения тиристора, составляет порядка нескольких миллиампер, при этом он может пропускать через себя десятки ампер;
• изменяя время приложенного сигнала к управляющему выводу, можно регулировать среднее значение тока, протекающего через нагрузку, другими словами — управлять мощностью.

На характеристике используются буквенные обозначения, соответствующие ключевым точкам в работе тиристора. Так, координата (Vbo; IL) соответствует моменту включения, а точка с координатами (Vн; Iн) — открытому состоянию. Зона, лежащая на отрезке с координатами (Vbo; IL) и (Vн; Iн) считается переходной, то есть неустойчивой.