Что такое тиристор. Тиристор – принцип работы, устройство и схема управления

Тиристоры - это силовые электронные ключи, управляемые не полностью. Нередко в технических книгах можно увидеть еще одно название этого прибора - однооперационный тиристор. Другими словами, под воздействием управляющего сигнала он переводится в одно состояние - проводящее. Если конкретизировать, то он включает цепь. Чтобы она выключалась, необходимо создать специальные условия, которые обеспечивают падение прямого тока в цепи до нулевого значения.

Особенности тиристоров

Тиристорные ключи проводят электрический ток только в прямом направлении, причем в закрытом состоянии он выдерживает не только прямое, но и обратное напряжение. Структура тиристора четырехслойная, имеется три вывода:

1. Анод (обозначается буквой А).
2. Катод (буквой С или К).
3. Управляющий электрод (У или G).

У тиристоров есть целое семейство вольт-амперных характеристик, по ним можно судить о состоянии элемента. Тиристоры - это очень мощные электронные ключи, они способны проводить коммутацию цепей, в которых напряжение может достигать 5000 вольт, а сила тока - 5000 ампер (при этом частота не превышает 1000 Гц).

Работа тиристора в цепях постоянного тока

Обычный тиристор включается путем подачи токового импульса на управляющий вывод. Причем он должен быть положительным (по отношению к катоду). Длительность переходного процесса зависит от характера нагрузки (индуктивная, активная), амплитуды и скорости нарастания в цепи управления импульса тока, температуры кристалла полупроводника, а также приложенного тока и напряжения на имеющиеся в схеме тиристоры. Характеристики схемы напрямую зависят от вида используемого полупроводникового элемента.

В той цепи, в которой находится тиристор, недопустимо возникновение большой скорости нарастания напряжения. А именно такого значения, при котором происходит самопроизвольное включение элемента (даже если нет сигнала в цепи управления). Но одновременно с этим у сигнала управления должна быть очень высокая крутизна характеристики.

Способы выключения

Можно выделить два типа коммутации тиристоров:

1. Естественная.
2. Принудительная.

А теперь более подробно о каждом виде. Естественная возникает тогда, когда тиристор работает в цепи переменного тока. Причем происходит эта коммутация тогда, когда ток падает до нулевого значения. А вот осуществить принудительную коммутацию можно большим количеством различных способов. Какое управление тиристором выбрать, решать разработчику схемы, но стоит поговорить о каждом типе отдельно.

Самым характерным способом принудительной коммутации является подключение конденсатора, который был заранее заряжен при помощи кнопки (ключа). LC-цепь включается в схему управления тиристором. Эта цепочка и содержит заряженный полностью конденсатор. При переходном процессе в нагрузочной цепи происходят колебания тока.

Способы принудительной коммутации

Существует еще несколько типов принудительной коммутации. Нередко применяют схему, в которой используется коммутирующий конденсатор, имеющий обратную полярность. Например, этот конденсатор может включаться в цепь при помощи какого-либо вспомогательного тиристора. При этом произойдет разряд на основной (рабочий) тиристор. Это приведет к тому, что у конденсатора ток, направленный навстречу прямому току основного тиристора, будет способствовать снижению тока в цепи вплоть до нуля. Следовательно, произойдет выключение тиристора. Это случается по той причине, что устройство тиристора имеет свои особенности, характерные только для него.

Существуют также схемы, в которых подключаются LC-цепочки. Они разряжаются (причем с колебаниями). В самом начале ток разряда течет навстречу рабочему, а после уравнивания их значений происходит выключение тиристора. После из колебательной цепочки ток перетекает через тиристор в полупроводниковый диод. При этом, покуда течет ток, к тиристору прикладывается некоторое напряжение. Оно по модулю равно падению напряжения на диоде.

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 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.

Фазовый метод управления

При фазовом методе управления с коммутацией принудительного типа происходит регулировка нагрузки благодаря изменению углов между фазами. Искусственную коммутацию можно осуществить при помощи специальных цепей, либо же необходимо использовать полностью управляемые (запираемые) тиристоры. На их основе, как правило, изготавливают которое позволяет регулировать в зависимости от уровня зарядки аккумуляторной батареи.

Широтно-импульсное управление

Называют еще его ШИМ-модуляцией. Во время открытия тиристоров подается сигнал управления. Переходы открыты, а на нагрузке имеется некоторое напряжение. Во время закрытия (в течение всего переходного процесса) не подается сигнал управления, следовательно, тиристоры не проводят ток. При осуществлении фазового управления токовая кривая не синусоидальна, происходит изменение формы сигнала напряжения питания. Следовательно, происходит также нарушение работы потребителей, которые чувствительны к высокочастотным помехам (появляется несовместимость). Несложную конструкцию имеет регулятор на тиристоре, который без проблем позволит изменить необходимую величину. И не нужно применять массивные ЛАТРы.

Тиристоры запираемые

Тиристоры - это очень мощные электронные ключи, используются для коммутации высоких напряжений и токов. Но есть у них один огромный недостаток - управление неполное. А если конкретнее, то это проявляется тем, что для отключения тиристора нужно создавать условия, при котором прямой ток будет снижаться до нуля.

Именно эта особенность накладывает некоторые ограничения на использование тиристоров, а также усложняет схемы на их основе. Чтобы избавиться от такого рода недостатков, были разработаны специальные конструкции тиристоров, которые запираются сигналом по одному электроду управления. Их называют двухоперационными, или запираемыми, тиристорами.

Конструкция запираемого тиристора

Четырехслойная структура р-п-р-п у тиристоров имеет свои особенности. Они придают им отличия от обычных тиристоров. Речь сейчас идет о полной управляемости элемента. Вольт-амперная характеристика (статическая) при прямом направлении такая же, как и у простых тиристоров. Вот только прямой ток тиристор может пропускать куда больший по значению. Но функции блокировки больших обратных напряжений у запираемых тиристоров не предусмотрено. Поэтому необходимо соединять его встречно-параллельно с

Характерная особенность запираемого тиристора - это значительное падение прямых напряжений. Чтобы произвести отключение, следует осуществить подачу на управляющий вывод мощного импульса тока (отрицательного, в соотношении 1:5 к прямому значению тока). Но только длительность импульса должна быть как можно меньшей - 10... 100 мкс. Запираемые тиристоры обладают более низким значением предельного напряжения и тока, нежели обычные. Разница составляет примерно 25-30 %.

Виды тиристоров

Выше были рассмотрены запираемые, но существует еще немало типов полупроводниковых тиристоров, о которых также стоит упомянуть. В самых различных конструкциях (зарядные устройства, переключатели, регуляторы мощности) используются определенные типы тиристоров. Где-то требуется, чтобы управление проводилось путем подачи потока света, значит, используется оптотиристор. Его особенность заключается в том, что в цепи управления используется кристалл полупроводника, чувствительный к свету. Параметры тиристоров различны, у всех свои особенности, характерные только для них. Поэтому нужно хотя бы в общих чертах представлять, какие виды этих полупроводников существуют и где они могут применяться. Итак, вот весь список и основные особенности каждого типа:

1. Диод-тиристор. Эквивалент этого элемента - тиристор, к которому подключен встречно-параллельно полупроводниковый диод.
2. Динистор (диодный тиристор). Он может переходить в состояние полной проводимости, если превышается определенный уровень напряжения.
3. Симистор (симметричный тиристор). Его эквивалент - два тиристора, включенных встречно-параллельно.
4. Тиристор инверторный быстродействующий отличается высокой скоростью коммутации (5... 50 мкс).
5. Тиристоры с управлением Часто можно встретить конструкции на основе МОП-транзисторов.
6. Оптические тиристоры, которые управляются потоками света.

Осуществление защиты элемента

Тиристоры - это приборы, которые критичны к скоростям нарастания прямого тока и прямого напряжения. Для них, как и для полупроводниковых диодов, характерно такое явление, как протекание обратных токов восстановления, которое очень быстро и резко падает до нулевого значения, усугубляя этим вероятность возникновения перенапряжения. Это перенапряжение является следствием того, что резко прекращается ток во всех элементах схемы, которые имеют индуктивность (даже сверхмалые индуктивности, характерные для монтажа - провода, дорожки платы). Для осуществления защиты необходимо использовать разнообразные схемы, позволяющие в динамических режимах работы защититься от высоких напряжений и токов.

Как правило, источника напряжения, который входит в цепь работающего тиристора, имеет такое значение, что его более чем достаточно для того, чтобы в дальнейшем не включать в схему некоторую дополнительную индуктивность. По этой причине в практике чаще используется цепочка формирования траектории переключения, которая значительно снижает скорость и уровень перенапряжения в схеме при отключении тиристора. Емкостно-резистивные цепочки наиболее часто используются для этих целей. Они включаются с тиристором параллельно. Имеется довольно много видов схемотехнических модификаций таких цепей, а также методик их расчетов, параметров для работы тиристоров в различных режимах и условиях. А вот цепь формирования траектории переключения запираемого тиристора будет такая же, как и у транзисторов.

Появление четырехслойных p-n-p-n полупроводниковых элементов совершило настоящий прорыв в силовой электронике. Такие устройства получили название «тиристоров». Кремниевые управляемые вентили являются наиболее распространенным семейством тиристоров.

Данный вид полупроводниковых приборов имеет следующую структуру:

Как видим из структурной схемы тиристор имеет три вывода – катод, управляющий электрод и анод. Подключению к силовым цепям подлежат анод и катод, а управляющий электрод подключается к системе управления (слаботочные сети) для управляемого открытия тиристора.

На принципиальных схемах тиристор имеет такое обозначение:

Вольт-амперная характеристика показана ниже:

Давайте подробнее рассмотрим эту характеристику.

Обратная ветвь характеристики

В третьем квадранте характеристики диодов и тиристоров равны. Если к аноду приложить отрицательный потенциал относительно катода, то к J 1 и J 3 прикладывается обратное напряжение, а к J 2 — прямое, что вызовет протекание тока обратного (он очень мал, как правило несколько миллиампер). Когда же это напряжение увеличится до так называемого напряжения пробоя, произойдет лавинное нарастание тока между J 1 и J 3 . При этом, если данный ток не будет ограничен, то произойдет пробой перехода с последующим выходом из строя тиристора. При обратных же напряжениях, которые не превышают напряжения пробоя, тиристор будет вести себя как резистор с большим сопротивлением.

Зона низкой проводимости

В данной зоне все наоборот. Потенциал катода будет отрицательный по отношению к потенциалу анода. Поэтому к J 1 и J 3 будет приложено прямое, а к J 2 – обратное напряжение. Результатом чего станет весьма малый анодный ток.

Зона высокой проводимости

Если напряжение на участке анод – катод достигнет значения, так называемого напряжением переключения, то произойдет лавинный пробой перехода J 2 и тиристор будет переведен в состояние высокой проводимости. При этом U a снизится от нескольких сотен до 1 — 2 вольт. Оно будет зависеть от типа тиристора. В зоне высокой проводимости ток, протекающий через анод, будет зависеть от нагрузки внешней элемента, что дает возможность рассматривать его в этой зоне как замкнутый ключ.

Если пропустить ток через управляющий электрод, то напряжение включения тиристора уменьшится. Оно напрямую зависит от тока управляющего электрода и при достаточно большом его значении практически равно нулю. При выборе тиристора для работы в схеме, то его подбирают таким образом, чтоб напряжения обратное и прямое не превышали паспортных значений напряжений пробоя и переключения. Если эти условия выполнить трудно, или имеется большой разброс в параметрах элементов (например необходим тиристор на 6300 В, а его ближайшие значения 1200 В), то иногда применяют или включение элементов.

В нужный момент времени с помощью подачи импульса на управляющий электрод можно перевести тиристор с закрытого состояния в зону высокой проводимости. Ток УЭ, как правило, должен быть выше минимального тока открытия и он составляет порядка 20-200 мА.

Когда анодный ток достигнет определенного значения, при котором запирания тиристора невозможно (ток переключения), управляющий импульс может быть снят. Теперь тиристор сможет перейти обратно в закрытое состояние только при уменьшении тока ниже, чем ток удержания, или прикладыванием к нему напряжения обратной полярности.

Видео работы и графики переходных процессов

Перед тем как разбираться с темой «тиристор – принцип работы», необходимо понять, что собой представляет этот небольшой прибор. По сути, это силовой ключ, только он всегда находится в открытом состоянии. Поэтому его часто называют не полностью управляемый ключ.

Необходимо отметить, что по своему устройству тиристор напоминает обыкновенный транзистор или диод. Правда, есть и существенные отличия. К примеру, диод – это полупроводниковый двухслойный элемент на кремневой основе (PN), транзистор – трехслойный (PNP или NPN), тиристор – четырехслойный (PNPN). То есть, у него три перехода p-n. Именно поэтому диодные выпрямители перед тиристорными являются менее эффективными. Это хорошо видно на схеме управления тиристорами.

Где применяются тиристоры

Область применения тиристоров обширна. К примеру, из них можно собрать инвертор для сварки или зарядное автомобильное устройство. Некоторые умельцы своими руками собирают даже генераторы. Самое важное, что тиристоры могут через себя пропускать токи и высокочастотные, и низкочастотные. Поэтому, собрав мост из этих приборов, можно изготовить трансформатор и для сварочного аппарата.

Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

• Анод.
• Катод.
• Вход.

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.

Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

• Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
• Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
• Величина самой токовой нагрузки.
• Напряжение в цепи.
• Температура самого прибора.

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

• Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
• Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Управление тиристорами

В силовых электронных аппаратах чаще всего используется или фазное, или широтно-импульсное управление тиристором.

В первом случае регулировать токовую нагрузку можно за счет изменения углов или α, или θ. Это относится к принудительной нагрузке. Искусственную нагрузку можно регулировать только с помощью управляемого тиристора, который также называется запираемый.

При ШИМ (широтно-импульсной модуляции) во время Тоткр сигнал подается, а, значит, сам прибор находится в открытом состоянии, то есть, ток подается с напряжением Uн. В период времени Тзакр сигнал отсутствует, а сам прибор находится непроводящем состоянии.

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.

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.

Тиристор – это полупроводниковый ключ, конструкция которого представляет собой четыре слоя. Они обладают способностью переходить из одного состояния в другое – из закрытого в открытое и наоборот.

Информация, представленная в данной статье, поможет дать исчерпывающий ответ на вопрос об этом аппарате.

Принцип функционирования тиристора

В специализированной литературе этот прибор также носит название однооперационного тиристора. Это название обусловлено тем, что устройство является не полностью управляемым . Другими словами, при получении сигнала от управляющего объекта он может только перейти в режим включенного состояния. Для того чтобы выключить прибор, человеку придется выполнить дополнительные действия, которые и приведут к падению уровня напряжения до нулевой отметки.

Работа этого прибора основывается на использовании силового электрического поля. Для его переключения из одного состояния в другое применяется технология управления, передающая определенные сигналы. При этом ток по тиристору может двигаться только в одном направлении. В выключенном состоянии этот прибор обладает способностью выдерживать как прямой, так и обратное напряжение.

Способы включения и выключения тиристора

Переход в рабочее состояние стандартного этого типа аппарата осуществляет путем поучения импульса токового напряжения в определенной полярности. На скорость включения и на то, как он впоследствии будет работать, влияют следующие факторы:

Выключение тиристора может быть осуществлено некоторыми способами:

1. Естественное выключение. В технической литературе также встречается такое понятие, как естественная коммутация – оно аналогично естественному выключению.
2. Принудительное выключение (принудительная коммутация).

Естественное выключение этого аппарата осуществляется в процессе его функционирования в цепях с переменным током, когда происходит понижение уровня тока до нулевой отметки.

Принудительное выключение включает в себя большое количество самых разнообразных способов. Самым распространенным из них является следующий метод.

Конденсатор, обозначаемый латинской буквой C, соединяется с ключом. Он должен обозначаться маркеровкой S. При этом конденсатор перед замыканием должен быть заряжен.

Основные типы тиристоров

В настоящее время существует немалое количество тиристоров, которые различаются между собой своими техническими характеристиками – скоростью функционирования, способами и процессами управления, направлениями тока при нахождении в проводящем состоянии и др.

Наиболее распространенные типы

1. Тиристор-диод. Такой прибор аналогичен устройству, которое имеет встречно-параллельный диод во включенном режиме.
2. Диодный тиристор. Другое название – динистор. Отличительной характеристикой этого устройства является то, что переход в проводящий режим осуществляется в момент, когда уровень тока превышен.
3. Запираемый тиристор.
4. Симметричный. Он также носит название симистора. Конструкция этого прибора аналогична двум устройствам со встречно-параллельным диодами при нахождении в режиме работы.
5. Быстродействующий или инверторный. Этот тип устройства обладает способностью переходить в нерабочее состояние за рекордно короткое время – от 5 до 50 микросекунд.
6. Оптотиристор. Его работа осуществляется при помощи светового потока.
7. Тиристор под полевым управлением по ведущему электроду.

Обеспечение защиты

Тиристоры входят в перечень приборов, которые критично влияют на изменение скорости увеличения прямого тока. Как и для диодов, так и для тиристоров характерен процесс протекания обратного тока восстановления. Резкое изменение его скорости и падение до нулевой отметки приводит к повышенному риску возникновения перенапряжения.

Кроме того, перенапряжение в конструкции этого прибора может возникать вследствие полного исчезновении напряжения в разнообразных составных частях системы, например, в малых индуктивностях монтажа.

По вышеуказанным причинам в подавляющем большинстве случаев для обеспечения надежной защиты этих приборов применяют разнообразные схемы ЦФТП. Данные схемы при нахождении в динамическом режиме помогают защищать устройство от возникновения недопустимых значений напряжения.

Надежным средством защиты также является применение варистора . Это устройство подключается к местам вывода индуктивной нагрузки.

В самом общем виде применение такого прибора, как тиристор, можно разделить на следующие группы:

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 .