Для включения тиристора на управляющий электрод подается электрический импульс

Тиристор. Тест

Тест на тему: «Тиристор» состоящий из 10 вопросов и ответов в данном посте.

1. Тиристор — это… (это переключающий полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении)

2. Динистором называют… (тиристор без управляющих электродов)

3. КПД современных тиристоров достигает? (г)

а)90% б) 85% в)50% г)99%

4. На каком их графиков представлена вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора? (а)

5. Тиристор на принципиальных схемах обозначается: (г)

6. Анодом тиристора называют электрод присоединенный к … (г)

а) внутреннему п-слою
б) внешнему п-слою
в) внутреннему р-слою
г) внешнему р-слою

7. Современные тиристоры изготавливают для токов (в)

а) до 100мкА б) 100мкА-1мА в) 1мА-10кА г) 10кА-100кА

8. Точка с каким номером на графике соответствует включению тиристора? (а)

а) 1 б) 2 в) 3 г) 4

9. Для включения тиристора на управляющий электрод подаётся электрический импульс (в)

а) силой выше определенного значения и любой длительности;
б) любой силы и определенной длительности;
в) определенной силы и длительности;
г) любой величины и длительности.

10. Какая точка на графике соответствует минимальному удерживающему току? См.рис.выше (в)

Тиристоры. Принцип действия и применение

История создания тиристора началась в 1955 г., когда была опубликована статья исследователей знаменитой Bell Telephone Laboratories Джона Луиса Молла (John Louis Moll), Морриса Таненбаума (Morris Tanenbaum), Джеймса/Джима М. Голди (James/Jim M. Goldey) и Ника Холоньяка (Nick Holonyak), в которой описывался управляемый полупроводниковый выпрямитель (Silicon Controlled Rectifier, SCR).

В 1956 г. в этой же лаборатории впервые была получена описанная в статье кремниевая структура p-n-p-n-типа. В следующем году на основе этой структуры Роберт Ноэль Холл (Robert Noel Hall) и Фрэнк Уильям Гутцвиллер (Frank William Gutzwiller), инженеры электротехнического концерна General Electric, создали первые образцы тиристора (SCR). Позиционное обозначение тиристора на электрической схеме показано на рис. 1.

Рис. 1. Позиционное обозначение тиристора на электрической схеме

С момента появления тиристоров прошло немало времени, появились новые силовые полупроводники (IGBT, MOSFET), но до сих пор тиристоры остаются единственными силовыми полупроводниковыми приборами, способными коммутировать электрические цепи с напряжением несколько тысяч вольт и токами в несколько тысяч ампер.

Принцип работы тиристора

Принцип работы тиристора схож с принципом работы динистора, достаточно подробно описанным в статье «Динисторы. Принцип действия и применение». Поэтому мы не будем повторяться, лишь выделим принципиальное отличие между этими двумя приборами. Упрощенная структура тиристора и схема его включения показаны на рис. 2. Как видно из рис. 1, главным отличием тиристора от динистора является наличие управляющего электрода УЭ, чаще его обозначают символом G. При подаче на электрод УЭ положительного относительно катода импульса p-n-переход p3-n4 смещается в прямом направлении, и через него начинает протекать ток. Затем процессы в тиристоре развиваются по такому же сценарию, как и в динисторе. Отметим, что напряжение Е (рис. 2) должно быть ниже нормируемого напряжения тиристора.

Рис. 2. Упрощенные схемы устройства и включения тиристора

После отпирания тиристора напряжение на управляющем электроде следует снизить до нулевого уровня. Запирание тиристора происходит, когда ток тиристора становится ниже тока удержания IH. На рис. 3 приведена вольт-амперная характеристика тиристора. На ней отмечены значения тока управляющего электрода, при которых происходит включение (открытие) тиристора.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Между токами соблюдается следующее соотношение: I_{УПР.СПР} > I_УПР2 > I_УПР1. Чем больше ток управления, тем меньше должно быть напряжение анода для включения тиристора. При токе управления I_{УПР.СПР} на вольт-амперной характеристике тиристора отсутствуют участки с отрицательным сопротивлением, поэтому этот ток управления называется током спрямления. Производители тиристоров указывают его в документации. Там же приводится минимальная длительность импульса тока управления.

Перечислим основные параметры тиристора, которые указывают в документации производители:

• максимально допустимый ток в прямом направлении I_T(AV);
• повторяющееся пиковое напряжение в прямом направлении V_DRM;
• повторяющееся пиковое напряжение в обратном направленииV_PRM;
• импульсный ток I_TSM;
• I 2 t;
• максимальная скорость изменения приложенного напряжения dV/dt;
• максимальная скорость изменения прямого тока di/dt;
• ток удержания I_H.

Ток I_T(AV) определяется как средний ток синусоидальной полуволны частотой 50 Гц. Обычно V_DRM =V_PRM, именно эти величины напряжения нормирует производитель. Например, у 1200-В тиристора значения V_DRM = V_PRM = 1200 В. Производители гарантируют, что при этих значениях напряжения V_PRM и V_DRM не произойдет ни обратного пробоя тиристора, ни его ложного включения.

Импульсный ток I_TSM это средний ток синусоидальной полуволны частотой 50 Гц при напряжении 0,6V_PRM. Величина I 2 t позволяет определить значение всплесков тока, когда форма импульса отлична от синусоидальной полуволны, а длительность импульса заметно меньше 10 мс.

Ограничение скорости нарастания прикладываемого напряжения dV/dt определяется паразитными емкостями p-n-переходов. Если скорость нарастания напряжения превысит заданную производителем, возможно ложное включение тиристора. Ограничение скорости нарастания тока di/dt необходимо для защиты тиристора от локального перегрева в момент включения.

Примеры использования тиристора

Тиристоры нашли применение во многих устройствах, и существует множество схем их использования — от простейших регуляторов мощности (диммеров) до сложных многофазных реверсивных регулируемых выпрямителей.

Рис. 4. Схема простейшего регулятора мощности

Схема простейшего регулятора мощности показана на рис. 4. По мере заряда конденсатора С1 возрастает напряжение на управляющем электроде и, следовательно, его ток, что и приводит к включению тиристора. Схема подкупает своей простотой, но может использоваться лишь при небольшой нагрузке. При плавном нарастании напряжения управляющего электрода включение тиристора произойдет при малом токе управления (рис. 3), что приведет к дополнительной потере мощности на тиристоре.

Рис. 5. Структурная схема двухполупериодного регулирования мощности с СИФУ

Рис. 6. Временная диаграмма работы схемы двухполупериодного регулирования мощности с СИФУ

Поэтому для управления тиристорами используют специальную систему импульсно-фазового управления (СИФУ), формирующую импульсы управления с крутым фронтом. Структурная схема двухполупериодного регулирования мощности с СИФУ и временная диаграмма работы показаны на рис. 5 и 6 соответственно. Импульс управления поступает на тиристор в конце интервала времени Т1. В данном случае Т1=Т2, угол открытия тиристора отсчитывается от точки перехода напряжения через 0 и в данном случае составляет 90°.

Рис. 7. Схема двухполупериодного выпрямителя и временная диаграмма его работы

Пожалуй, наиболее распространено применение тиристоров в управляемых выпрямителях. На рис. 7 показаны схема двухполупериодного выпрямителя и временная диаграмма его работы. Предполагается, что мост работает на активно-индуктивную нагрузку, постоянная времени которой существенно превышает длительность периода сетевого напряжения, поэтому токи через тиристоры и ток сети I1 имеют прямоугольную форму.

Обратный диод VD0 образует контур протекания тока нагрузки при выключенных тиристорах. Выходное напряжение зависит от угла управления тиристорами α следующим образом:

Рис. 8. Трехфазная выпрямительная схема с нулевым проводом (выпрямитель Ларионова)

На рис. 8 показаны трехфазная выпрямительная схема с нулевым проводом (выпрямитель Ларионова) и графики выпрямленного напряжения и тока. Так же, как и в предыдущем случае, предполагается, что постоянная времени нагрузки значительно превышает длительность периода сетевого напряжения. Среднее выпрямленное напряжение на нагрузке вычисляется из следующего соотношения:

где U2 — действующее напряжение на вторичной обмотке.

Рис. 9. Трехфазная мостовая реверсивная выпрямительная схема

Трехфазная мостовая реверсивная выпрямительная схема показана на рис. 9. Мостовые выпрямители работают в этой схеме поочередно. Обратные диоды в реверсивной схеме, разумеется, отсутствуют, поэтому переключение мостов возможно только в случае уменьшения тока нагрузки до нуля. В противном случае произойдет короткое замыкание.

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).

Рис. 7. Типовая схема защиты тиристора

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.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

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

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

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.

• полупроводниковые приборы
• электроника для начинающих
• электроника
• тиристор