Способы и схемы управления тиристором или симистором

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.


Конструкция тиристора

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.


Тиристор в цепи переменного тока.

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.

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 полевым транзистором. Часто можно встретить конструкции на основе МОП-транзисторов.
  6. Оптические тиристоры, которые управляются потоками света.

Презентация на тему: » ТИРИСТОРЫ Выполнили : Тимохов Е. Г., Гоголева А. Н., Ламкин Д. С. Преподаватель : Гуртов В. А.» — Транскрипт:

1

ТИРИСТОРЫ Выполнили : Тимохов Е. Г., Гоголева А. Н., Ламкин Д. С. Преподаватель : Гуртов В. А.

2

Тиристор … Что это ?… Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n переходами, вольт — амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

3

Изготовление тиристоров Способ изготовления тиристоров включает : диффузию акцепторных примесей в шлифованную поверхность кремния, высокотемпературное окисление, фотолитографию, диффузию фосфора, повторное высокотемпературное окисление и обработку структуры для получения заданного времени жизни неосновных носителей заряда в n- базе.

4

Конструкция корпуса тиристора Бескорпусный Штыревой с гибким выводом Штыревой с жестким выводом Таблеточный Под запрессовку Фланцевый В зависимости от конструктивного расположения анодного и катодного выводов тиристоры штыревого и фланцевого исполнения подразделяются на приборы с прямой полярностью и приборы с обратной полярностью.

5

Применение тиристоров Импульсные модуляторы ( в качестве переключающего элемента ) Инверторы для ВЧ преобразователей Импульсные регуляторы постоянного и переменного токов Тиристорные стабилизаторы Бесконтактная коммутирующая аппаратура Преобразователи частоты Схемы автоматики др.

6

Классификация В зависимости от характера вольт — амперной характеристики и способа управления : Диодные тиристоры (динисторы) Триодные тиристоры (тринисторы) Запираемые тиристоры Комбинированно – выключаемые тиристоры Симметричные тиристоры (симисторы) Оптронные тиристоры (оптотиристоры) Симметричный оптотиристор (оптосимистор) Лавинные тиристоры Фототиристоры В зависимости от коммутационных параметров : Низкочастотные Высокочастотные Быстродействующие Импульсные

7

Динистор Применяется в импульсных генераторах, регуляторах мощности как пороговый элемент.

8

ВАХ динистора V G — напряжение между анодом и катодом; I у, V у — минимальный удерживающий ток и напряжение; I в, V в — ток и напряжение включения

9

Двухтранзисторная модель α 1,2 – коэффициент усиления тока М – коэффициент лавинного умножения I П 1 — ток через переход П 1 I П 3 — ток через переход П 2, аналогично I К 0 — обратный ток перехода П 3 ( генерационный и тепловой ) α = α 1 + α 2 — суммарный коэффициент передачи тока первого (p 1 -n 1 -p 2 ) и второго (n 2 -p 2 -n 1 ) транзисторов

10

Зонная диаграмма и токи малый ток большое напряжение высокое сопротивление Открытое состояние Закрытое состояние большой ток малое напряжение малое сопротивление

11

Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера Зависимость коэффициента передачи эмиттерного тока α от напряжения, приложенного к тиристору, является причиной переключения тиристора В области малых токов основная причина зависимости α от тока I связана с рекомбинацией в эмиттерном переходе Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I э при наличии сильной рекомбинации в ОПЗ p-n переходов

12

Зависимость коэффициента М от напряжения V G Накопление объемного заряда связано с лавинным умножением в коллекторном переходе

13

Тринистор Управляющие тиристоры используются для коммутирования высоких значений токов, напряжений и мощностей.

14

ВАХ тринистора ВАХ тринистора при различных значениях управляющего тока базы I упр

15

Примеры характеристик кремниевых тринисторов КУ 104 а ) зависимость отпирающего импульсного тока управления от длительности запирающего импульса б ) зависимость времени выключения от постоянного тока в открытом состоянии тиристора в ) зависимость тока удержания от температуры окружающей среды

16

Уравнение, описывающее ВАХ тиристора в закрытом состоянии I у — управляющий ток М — лавинное умножение Схема включения тринистора для расчета ВАХ Уравнение описывает ВАХ тиристора в закрытом состоянии, поскольку коэффициенты М, α 1 и α 2 зависят от напряжения V G.

17

Симистор Симметричные триодные тиристоры используются в в бытовых приборах ( швейные, стиральные машины, …), электромоторах, диммерах, для создания реверсивных выпрямителей, в светильниках, яркость которых управляется прикосновением, нагревательные устройствах, строительных электроинструментах и т. д.

18

ВАХ симистора Характеризуется симметричной ВАХ, имеющей участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Реализует два бистабильных состояния закрыто и открыто.

19

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !

Применение электронных переключателей

Характеристики приборов способствуют их применению в различных электротехнических областях. Такой элемент, как тиристор нужен там, где возникает необходимость управлять мощной нагрузкой. Поэтому основным назначением устройства считается коммутация нагрузки путём использования малых токов.

Например, устройства могут применяться в гирлянде с бегущими огнями, импульсных генераторах тока, выпрямительных узлах. Их используют в схемах преобразования постоянного тока в токи промышленного значения, при этом они могут изменять и частоту сигнала. Они применяются при управлении асинхронным двигателем, в системе индукционного нагрева. На тиристорах создаются источники питания повышенной частоты для автономного потребления различными устройствами.

Преобразователи на этом элементе в несколько раз превосходят по технико-экономическим показателям конструкции, выполненные на ионных приборах. Их стоимость и масса меньше, а скорость срабатывания в несколько раз выше.

Использование тиристоров позволяет автоматизировать многие процессы, например, оптотиристором управляют открытием ширмы в театре, а симистором регулируют плавно мощность паяльников или источников освещения. А также с помощью них можно создавать датчики, регистрирующие появление света, тока или напряжения.

Важной особенность элементов является то, что они пропускают через себя высокочастотный и низкочастотный сигнал. Поэтому, собрав мостовую схему из этих устройств, можно сконструировать «трансформатор», например, для сварочного аппарата

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.

История изобретения

Изобретение тиристора стало возможным после открытия полупроводников и исследования их свойств. После обнаружения в 1600 году английским физиком Уильямом Гилбертом электричества многие инженеры и ученые посвятили себя изучению этого явления. Выдающими людьми, изучающими электромагнетизм в разное время, были: Эрстед, Ампер, Вольт, Фарадей, Максвелл, Кюри, Яблочков. Благодаря их исследованиям и теоретическим догадкам было установлено, что все окружающие твёрдые тела можно разделить на три группы:

  • проводники — вещества, обладающие большим количеством свободных носителей зарядов и способные практически без потерь проводить электрический ток;
  • диэлектрики — физические тела, плохо проводящие ток;
  • полупроводники — материалы, у которых в кристаллической решётке концентрация подвижных зарядов намного ниже, чем количество атомов.

В 1947 году американцы Бардин, Бреттейн и Шокли создали первый транзистор, что и послужило толчком к бурному развитию полупроводниковой техники. В разных странах начались исследования этих материалов. Так, русским инженером Лошкарёвым была выявленная биполярная диффузия. А Красиловым и Мадояном разработаны образцы германиевых элементов.

В 60-х годах полученные исследования позволили создать чипы, которые содержали несколько объединённых транзисторов. Начали создаваться компании и заводы, выпускающие серийно электронные компоненты. В процессе изучения свойств полупроводников было установлено, что структура монокристаллов, то есть тел, имеющих непрерывную кристаллическую решётку, может иметь три и более p-n переходов. В зависимости от уровня напряжения, подаваемого на один из них, изменялись состояния других.

Простые схемы включения

На рисунке приведены примеры основных схем включения КУ208Г. Они различаются по виду нагрузки и коммутируемым напряжениям. Например, рассматриваемый симистор может использоваться как обычный тиристор, для управления работой приборов от постоянных источников питания (изображение слева). Однако наибольшее распространение получило в сетях 220В.

В данных схемах, для замыкания цепи в нагрузке через КУ208Г, необходимо на короткий промежуток времени подать на затвор отпирающее напряжение (UУ). Это значение, для открытия симистра, зависит от управляющего тока (IУ): при 300 мА (UУ =2.5В); при 160 мА (UУ =5.0 В). Его величина достигается подбором ограничивающего резистора R. При этом следует учитывать, что некоторые экземпляры этого устройства открываются даже при IУ

Схема регулировки мощности

Зная особенности работы симметричного тиристора его используют не только как силовой ключ, но и в качестве регулятора мощности. Такую схему можно спаять всего из нескольких радиодеталей

Вместе с тем, она требует осторожности и внимательности при сборке, так как с её помощью можно управлять изменением переменного напряжение от 90 до 220 В

В представленной схеме симистор VS1 способен выдерживать мощность около 200 Вт. Для получения больших значений рекомендуется поставить его на радиатор. В качестве индикатора работы конструкции используется слаботочный тиратрон МТХ-90. Конденсатор C1 защищает от помех. С помощью потенциометра R1 регулируется выходная мощность. R2 ограничивает силу тока через ку208г, а резистор R3 на управляющем электроде. В нагрузке можно использовать обычную электрическую лампочку на 220 В. Разбор реализации подобной схемы сотрите в видеоролике.

Какие существуют разновидности тиристоров: краткие сведения

Развитие науки и электронных технологий в частности способствовало созданию большого количества полупроводниковых приборов с различной структурой слоев и переходов. (Смотрите картинку в начале статьи.)

Я относительно подробно показал выше структуру и принцип работы КУ202 и аналогичных тиристоров с тремя выводами. Однако это не полный обзор, а только частный случай, характерный для большинства подобных приборов.

Они отличаются по:

  • количеству выводов и способу управления;
  • проводимости;
  • режимам работы;
  • быстродействию;
  • другим эксплуатационным параметрам.

Количество выводов

У основной четырехслойной структуры может быть создано 2, 3 или 4 контактных отвода для подключения к внешней схеме.

Что такое динистор

Корпуса с двумя выводами называют динисторами. Для открытия этих полупроводников между анодом и катодом импульсом подают повышенное напряжение.

По принципу работы динисторы бывают:

  1. симметричные;
  2. несимметричные.

Второй тип при обратном напряжении (плюс на катоде, а минус на аноде) всегда закрыт. Он ведет себя как диод и при аварийном токе сгорает. Симметричные же динисторы работают при любой полярности.

Как работает тринистор

Такое название закрепилось за триодными тиристорами (с третьим выводом управляющего электрода). Частный случай этих приборов мы уже разобрали, но на практике следует учитывать, что подобные изделия могут выпускаться с:

  1. Катодным управлением, когда командный сигнал поступает по цепи управляющий электрод — катод.
  2. Анодным — тот случай, что показан на примере КУ202.

При проверке работоспособности полупроводникового перехода следует учесть его конструкцию, а не бездумно копировать мою методику или любую другую, взятую из интернета.

Тринисторы могут выполняться с различными способами закрытия:

  1. запираемые;
  2. незапираемые.

Первым для перехода в закрытое состояние достаточно снизить ток по цепи «анод-катод». Вторым необходимо подать напряжение запирания на управляющий электрод.

Еще раз хочу подчеркнуть, что изложенная методика проверки на примере КУ202 применима для незапираемых тиристоров с управлением по аноду.

Виды проводимостей

В самом начале я сравнивал работу полупроводников с течением реки и заострил внимание на том, что через них ток проходит в одну сторону. Только это утверждение характерно для большинства, а не всех поголовно случаев

Однако учтите, что есть и иные конструкции, специально созданные:

  1. с не высоким обратным напряжением, которые называют обратно-проводящими;
  2. без нормировки обратной проводимости. Их применяют в схемах, исключающих появление обратного напряжения;
  3. для пропускания тока в обе стороны по цепи анод-катод. Это симметричные тиристоры, называемые симисторами либо триаком (от англ — «triac»).

При их проверке следует в обязательном порядке учитывать конструктивные особенности электронных переходов.

Тринисторы чаще всего создаются для работы в схеме электронного ключа. Они управляют мощной силовой нагрузкой за счет подачи слабого сигнала команды через управляющий электрод.

Быстродействие

Этим параметром оценивают скорость перехода полупроводниковых изделий из закрытого состояния в открытое и наоборот. Он может быть критичен при работе сложных схем защит или управления технологическими процессами.

Импульсный режим работы

Созданы и такие приборы, способные мгновенно реагировать на быстро возникающие электротехнические ситуации на сложном производстве. Но в домашнем оборудовании их не применяют.

Особенности лавинных тиристоров

Такие конструкции имеют лавинную вольт-амперную характеристику. При подаче обратного напряжения развивается лавинный процесс. Такая ВАХ:

  • устойчива к высоким перенапряжениям схемы;
  • способна работать без дополнительных защит;
  • равномерно перераспределяет энергию по последовательно подключенным полупроводниковым переходам.

Их используют в схемах защит полупроводниковых разрядников и преобразователях.

Тиристоры имеют очень много разновидностей внутренней схемы, корпусов и принципов работы. Проверка их технического состояния должна учитывать все эти особенности.

Довольно оригинально эта информация изложена в видеоролике владельца Радиолюбитель.

Поскольку тема про тиристоры, принципы их работы и проверки весьма обширная, то жду ваших дополнений или комментариев, которые будут полезны и понятны всем домашним электрикам, включая новичков.

Схема включения

Зачем нужны тиристоры, можно понять, разобравшись в их принципе работы. Для этого есть смысл рассмотреть включение элемента в простейшей схеме. Тиристор в ней используется как электронный ключ.

К аноду тиристора подсоединяется лампочка L, служащая нагрузочным сопротивлением. К ней через кнопку К2 подключается положительная клемма источника питания GB, а его минус подводится к катоду полупроводникового элемента. Подача тока на управляющий электрод выполняется через ограничительный резистор R и кнопку K1.

При замыкании переключателя К2 к аноду и катоду полупроводника будет приложено напряжение, соответствующее величине ЭДС источника питания. При этом прибор будет заперт, ток через него не потечёт, а лампочка не загорится. Чтобы в цепи VS – L появился ток, понадобится отпереть тиристор.

Дальнейшее нажатие кнопки K1 никоим образом не будет влиять на состояние схемы. Для того чтобы потушить лампочку, понадобится разорвать цепь кнопкой K2 или отсоединить источник питания. Но при этом тиристор может закрыться и при снижении напряжения на аноде до определённой величины, определяемой параметрами тиристора.

Таким образом, тиристор — это полупроводниковый элемент, использующийся в схемах как электронный ключ. Это возможно благодаря свойствам p-n переходов. При этом, осуществляя коммутацию больших токов, сам прибор имеет небольшие габариты, а его корпус может выдерживать значительную тепловую мощность. Но всё же для предотвращения его повреждения тепловым пробоем часто совместно с элементом используется теплоотвод, представляющий собой, в зависимости от мощности нагрузки, простую алюминиевую пластинку или массивного вида радиатор.

Основные характеристики

При выборе тиристоров обращают внимание на определенные параметры:

  1. Напряжение включения позволяет перевести полупроводниковый прибор в рабочее состояние.
  2. Временной интервал задержки запуска и остановки изделия.
  3. Уровень обратного тока при максимальном значении обратного напряжения.
  4. Показатель общей рассеивающей мощности.
  5. Прямое напряжение при предельном токе анода.
  6. Пиковый ток электрода, обеспечивающего управление.
  7. Обратное напряжение в закрытом состоянии.
  8. Максимальный открытый ток в открытом положении.

При выборе тиристора не следует забывать о предназначении прибора. На это непосредственное влияние оказывает временной интервал перехода в открытое или закрытое состояние. Как правило, период включения является более коротким, чем промежуток выключения.

Принцип работы тиристора простыми словами

Рассмотрим принцип работы тиристора. Стартовое состояние элемента — закрыто. «Сигналом» к переходу в состояние «открыто» является появление напряжения между анодом и управляющим выводом. Вернуть тиристор в состояние «закрыто» можно двумя способами:

  • снять нагрузку;
  • уменьшить ток ниже тока удержания (одна из технических характеристик).

В схемах с переменным напряжением, как правило, сбрасывается тиристор по второму варианту. Переменный ток в бытовой сети имеет синусоидальную форму, когда его значение приближается к нулю и происходит сброс. В схемах, питающихся от источников постоянного тока, надо либо принудительно убирать питание, либо снимать нагрузку.

После снятия отпирающего напряжения, тиристор остается в открытом состоянии (лампочка горит)

То есть, работает тиристор в схемах с постоянным и переменным напряжением по-разному. В схеме постоянного напряжения, после кратковременного появления напряжения между анодом и управляющим выводом, элемент переходит в состояние «открыто». Далее может быть два варианта развития событий:

  • Состояние «открыто» держится даже после того, как напряжение анод-выход управления пропало. Такое возможно если напряжение, поданное на анод-управляющий вывод,  выше чем неотпирающее напряжение (эти данные есть в технических характеристиках).  Прекращается прохождение тока через тиристор, фактически только разрывом цепи или выключением источника питания. Причем выключение/обрыв цепи могут быть очень кратковременными. После восстановления цепи, ток не течет до тех пор, пока на анод-управляющий вывод снова не подадут напряжение.
  • После снятия напряжения (оно меньше чем отпирающее) тиристор сразу переходит в состояние «закрыто».

Так что в схемах постоянного тока есть два варианта использования тиристора — с удержанием открытого состояния и без. Но чаще применяют по первому типу — когда он остается открытым.

Если говорить о внутреннем устройстве, то это три перехода P-N-P-N

Принцип работы тиристора в схемах переменного напряжения отличается. Там возвращение в запертое состояние происходит «автоматически» — при падении силы тока ниже порога удержания. Если напряжение на анод-катод подавать постоянно, на выходе тиристора получаем импульсы тока, которые идут с определенной частотой. Именно так построены импульсные блоки питания. При помощи тиристора они преобразуют синусоиду в импульсы.

Характеристики тиристоров

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от единиц вольт до нескольких киловольт; скорость нарастания в них прямого тока достигает 109 А/с, напряжения — 109 В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков микросекунд, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен микросекунд; КПД достигает 99 %.

К распространённым отечественным тиристорам можно отнести приборы КУ202 (25-400 В, ток 10 А), к импортным — MCR100 (100-600 В, 0,8 А), 2N5064 (200 В, 0,5 A), C106D (400 В, 4 А), TYN612 (600 В, 12 А), BT151 (800 В, 7,5-12 А) и другие.

Также следует помнить, что не все тиристоры допускают приложение обратного напряжения, сравнимого с допустимым прямым напряжением. Управляемая мощность через тиристор может достигать вплоть до 100 МВт.

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.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: