Тиристор: принцип работы, проверка, особенности и характеристики

Тиристор: принцип работы, проверка, особенности и характеристики

В переключательных схемах часто используется тиристор, принцип работы которого напоминает электронный ключ. Он представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий три или несколько взаимодействующих выпрямляющих переходов. Однако тиристор не способен перейти в состояние закрытого типа, поэтому его называют ключом, который является не полностью управляемым.

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 быстродействию

Определяющими здесь является время включения (отпирания) и время выключения (запирания).

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.

Виды современных устройств

Эта кнопка соединяет управляющий электрод У с источником питания через резистор R1.

Рассеиваемая мощность. Регулировать яркость свечения светильников, в которых установлены энергосберегающие или светодиодные лампочками, не получится, так как в таких лампочках вмонтированы электронные схемы, и регулятор просто будет нарушать их нормальную работу. На чертеже ниже представлена цоколевка и основные детали тиристора.

Распространенные отечественные тиристоры выглядят следующим образом.

Если регулируемое устройство будет расположено на стационарном уровне, то имеет определённой смысл осуществить его подключение через выключатель с особым регулятором уровня яркости света. Вот так можно описать, как работает тиристор для чайников. Прибор, содержащий один управляющий электрод, называют триодным тиристором или тринистором [1] иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно. Тиристорная схема регулятора не излучающая помехи Главное отличие схемы представляемого регулятора мощности паяльника от выше представленных, это полное отсутствие радиопомех в электрическую сеть, так как все переходные процессы происходят во время, когда напряжение в питающей сети равно нулю.

У VT1 он должен быть Управляемый электрод.

R 2 — это резистор, который обладает особым показателем переменного тока около 30 кОм. Реостат — довольно универсальное приспособление. В общем много привычных устройств построены на тиристорах. Вот только напряжение должно быть достаточным для того, чтобы засветить лампочку.

Для большей мощности необходим более мощный симистор, например, ТС Это хорошо демонстрирует схема управления тиристорами, а также любой справочник электриков например, в библиотеке можно бесплатно почитать книгу автора Замятин. Тиристор — краткий обзор полупроводника Включение полупроводника в открытое состояние возможно путём подачи импульса пускового тока небольшой величины на управляющий электрод У. Предлагаемая ниже схема позволит снизить мощность любого нагревательного электроприбора.

Симметричный тринистор называется также симистором или триаком от англ. Если при помощи такого прибора, как тиристор со временем подключать нагрузку в строго определённое время, то показатель действующего напряжения будет довольно низким, так как половина от напряжения действующее значение, которое и воспроизводит нагрузку будет намного меньше, чем световое. Само переключение происходит очень быстро, хоть и не мгновенно. Важное отличие симисторных схем от тиристорных состоит в том, что нет необходимости в выпрямительном устройстве. Вторую часть полупериода тиристор начнёт проводить ток и на выходе регулятора будет возникать особое входное напряжение.
Простой регулятор напряжения на тиристоре

Трудности выключения

С выключением тиристоров дело обстояло, как говорится, туго. По этой причине довольно длительное время виды тиристоров ограничивались только двумя выше упомянутыми структурами. До середины девяностых годов ХХ века применяются тиристоры только этих двух типов. Дело в том, что выключение тиристора может произойти лишь при запирании одного из транзисторов. Причем на определенное время. Оно определено скоростью исчезновения зарядов соответствующих отпертому переходу. Наиболее надежный способ «прибить» эти заряды — полностью отключить ток, протекающий через тиристор.

Большинство из них так и работают. Не на постоянном токе, а на выпрямленном, соответствующем напряжению без фильтрации. Оно изменяется от нуля до амплитудного значения, а затем вновь уменьшается до нуля. И так далее, соответственно частоте переменного напряжения, которое выпрямляется. В заданный момент между нулевыми значениями напряжения на управляющий электрод поступает сигнал, и тиристор отпирается. А при переходе напряжения через ноль вновь запирается.

Чтобы выключить его на постоянном напряжении и токе, при котором значение нуля отсутствует, необходим шунт, действующий определенное время. В простейшем варианте это либо кнопка, присоединенная к аноду и катоду, либо соединенная последовательно. Если прибор отперт, на нем присутствует остаточное напряжение. Нажатием кнопки оно обнуляется, и ток через него прекращается. Но если кнопка не содержит специального приспособления, и ее контакты разомкнутся, тиристор непременно снова включится.

Этим приспособлением должен быть конденсатор, подключаемый параллельно тиристору. Он ограничивает скорость нарастания напряжения на приборе. Этот параметр вызывает набольшее сожаление при использовании этих полупроводниковых приборов, поскольку понижается рабочая частота, с которой тиристор способен коммутировать нагрузку, и, соответственно, коммутируемая мощность. Происходит это явление из-за внутренних емкостей, характерных для каждой из моделей этих полупроводниковых приборов.

Читайте также  Плетение из резинок на станке

Конструкция любого полупроводникового прибора неизбежно образует группу конденсаторов. Чем быстрее нарастает напряжение, тем больше токи, их заряжающие. Причем они возникают во всех электродах. Если такой ток в управляющем электроде превысит некоторое пороговое значение, тиристор включится. Поэтому для всех моделей приводится параметр dU/dt.

Тиристорные светодиоды

Обычно тиристор и светодиод в одном светильнике не устанавливаются. Его место заменяет диод, который работает и на включение, и на отключение, как обычный ключ. Это связано с разными причинами, где основная – это конструкция и принцип действия самого прибора, который всегда находится в открытом состоянии. В настоящее время ученые изобрели так называемый тиристорный светодиод.

Тиристорный светодиод

Во-первых, тиристорный светодиод в своем составе кроме кремния имеет: галлий, алюминий, индий, мышьяк и сурьму. Во-вторых, спектр излучения при n-переходах между материалами создает волну длиною 1,95 мкм. А это достаточно большая оптическая мощность, если ее сравнивать с диодным элементом, который производит световые волны в том же диапазоне.

Работа тиристора в цепях переменного тока

Если тиристор включить в цепь переменного тока, можно осуществить такие операции:

  1. Включить или отключить электрическую цепь с активно-резистивной или активной нагрузкой.
  2. Изменить среднее и действующее значение тока, который проходит через нагрузку, благодаря возможности регулировать момент подачи сигнала управления.

У тиристорных ключей имеется одна особенность – они проводят ток только в одном направлении. Следовательно, если необходимо использовать их в цепях переменного тока, приходится применять встречно-параллельное включение. Действующие и средние значения тока могут изменяться из-за того, что момент подачи сигнала на тиристоры различный. При этом мощность тиристора должна соответствовать минимальным требованиям.

Параметры тиристоров

Давайте разберемся с некоторыми важными параметрами тиристоров. Не зная эти параметры, мы не догоним принцип проверки тиристора. Итак:

1) Uy отпирающее постоянное напряжение управления – наименьшее постоянное напряжение на управляющем электроде, вызывающее переключение тиристора из закрытого состояния в открытое. Короче говоря простым языком, минимальное напряжение на управляющем электроде, которое открывает тиристора и электрический ток начинает спокойно себе течь через два оставшихся вывода – анод и катод тиристора. Это и есть минимальное напряжение открытия тиристора.

2) Uобр max – обратное напряжение, которое может выдержать тиристор, когда, грубо говоря, плюс подают на катод, а минус – на анод.

3) Iос срсреднее значение тока, которое может протекать через тиристор в прямом направлении без вреда для его здоровья.

Остальные параметры не столь критичны для начинающих радиолюбителей. Познакомиться с ними можете в любом справочнике.

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях — закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается, тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1.

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня — напряжение включения Uвкл, в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер. В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p-области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n-области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах полупроводника, через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении Rn растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как ВАХ диода на прямой ветви — отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает.

Напряжение включения Uвкл, можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод, запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – Uупр. Как хорошо видно из графика – при росте Uупр напряжение включения снижается.

Основные характеристики тиристоров

Виды тиристоров в электронике

Запираемые тиристоры — имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

Симисторы — В отличие от своих четырехслойных родственников — тиристоров, они имеют пятислойную структуру.

Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.

Читайте также  Устройство выжигателя по дереву

Фототиристоры или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень электробезопасности и надежности конструкции.

Применение тиристоров в электронике

Силовые ключи. Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность, которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется , т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

Ограничения тиристора

При работе с любым типом этого прибора следует соблюдать определенные правила техники безопасности, а также помнить о некоторых необходимых ограничениях.

Например, в случае с индуктивной нагрузкой при функционировании такой разновидности прибора, как симистор. В данной ситуации ограничения касаются скорости изменения уровня напряжения между двумя основными элементами – его анодами и рабочим током. Для ограничения влияния тока и перегрузки применяется RC-цепочка.