Тиристор характеристики: Тиристоры. Характеристики.

принцип действия, обозначение, основные характеристики и применение

В электронике существует такое понятие, как «электронные ключи». Это приборы, имеющие два устойчивых состояния. Одним из их представителей является тиристор, представляющий, по сути, полупроводниковый элемент. Его работа задаётся с помощью тока или напряжения, поступающего на специальный вывод. Применение устройства позволяет управлять мощной нагрузкой, используя слаботочные цепи. При этом его конструкция проста, а принцип работы довольно понятен.

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.

Типичным признаком полупроводников является зависимость их проводимости от изменения температуры или другого внешнего воздействия, например, света, электромагнитного поля.

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.

Изучая монокристаллы полупроводников, учёные компании Белла выявили их технические характеристики. В дальнейшем её инженеры смогли создать прибор, имеющий третий вывод. С помощью его и происходило управление процессом прохождения тока через весь элемент. Через некоторое время в Дженерал Электроникс анонсировали устройство, получившее название «триак» (thyristor).

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.

В результате получится, что крайние зоны будут являться эмиттерными переходами, а средние — коллекторными. Область базы же первого элемента будет совпадать с коллектором второго и наоборот. Исходя из этого коллекторный ток транзисторов, одновременно будет являться и базовым.

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.

Повышение напряжения приводит к инжекции носителей в управляемый переход. В итоге, с одной стороны, увеличивается его сопротивление из-за обеднения основными носителями, так как переход получается включённым в обратном направлении, а с другой — обогащение, связанное с поступлением в его область новых зарядов.

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.

Главной же функцией, описывающей работу прибора, является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Представляет она из себя плоскую систему координат по оси Y, на которой откладывается ток нагрузки, а по оси X — напряжение на управляющем электроде. По виду нелинейности соответствия этих двух величин ВАХ относится к S-типу устройств.

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.

Тиристорный прибор, кроме ВАХ, характеризуется рядом параметров:

1. Наибольшее постоянное обратное напряжение — значение, при превышении которого наступает пробой перехода.
2. Напряжение включения — величина сигнала, при достижении которой происходит отпирание элемента.
3. Допустимый ток — максимальное значение, которое может через себя пропустить радиоприбор без изменения своих характеристик.
4. Ток удержания — это ток, текущий через анод и провоцирующий запирание элемента.
5. Падение напряжения — показывает величину энергии, которая рассеивается на приборе (0,5 -1 В).
6. Максимальна мощность — определяется допустимым током и максимально возможным напряжением, приложенным к управляемым выводам, то есть характером нагрузки.
7. Время отключения — промежуток времени, за который тиристор полностью закроется. Составляет микросекунды.
8. Отпирающий постоянный ток управления — обозначает значение, которое необходимо для поддержания устройства в открытом состоянии (анод-катод). Обычно составляет порядка 100 мА.

Конструкция прибора

Любой тиристорный прибор имеет как минимум три вывода: анод, катод и вход. Выпускаются они различными производителями и могут иметь форму таблетки или штыря. Как правило, материалом для их изготовления служит кремний. Он обеспечивает хорошую теплопроводность и может выдерживать большую мощность.

Эмиттерные переходы выполняются по сплавной технологии, а коллекторные — методом диффузии. Используется также и планарная технология. Концентрация примесей в эмиттерных областях делается значительно большей, чем в базовых. При этом самым толстым слоем является центральный. Эти два фактора — толщина и низкая концентрация — позволяют прибору выдерживать довольно большое обратное напряжение (порядка сотен вольт). Анод прибора соединяется с корпусом изделия, что в итоге положительно сказывается на отводе тепла.

Немного другую конструкцию имеют асимметричные тиристоры. В их конструкции катод соединяется с n+ и p зоной, а анод с p+ и n областью. Такие соединения называются анодным или катодным коротким замыканием. Их использование приводит к появлению дополнительного сопротивления межу переходами. Такое подключение уменьшает переходные процессы и время жизни основных носителей.

В простейшую конструкцию тиристора входит основание, соединённое с полупроводниковым кристаллом и являющееся анодом, вывода катода и управляющего электрода. Сверху кристалл накрывается изолятором и крышкой, способствующей защите прибора от механических повреждений и одновременно служащей теплоотводом.

Маркировка радиодетали

Согласно системе, указанной в ГОСТ 10862–72, для обозначения тиристора используется буквенно-цифровой код, состоящий из четырёх символов. Первый элемент кода указывает на вид материала, из которого сделано устройство. Например, Г — германий, К — кремний, А — арсенид галлия. Второй обозначает принадлежность устройства — Н-динистор, У-триак. Третий элемент характеризует функциональность, возможности и номер партии.

Так, числа с 101 до 199 обозначают диодные и незапираемые триодные тиристоры малой мощности, а интервал от 401 до 499 — триодные запираемые тиристоры средней мощности. Последняя буква указывает на тип устройства.

Но после 1989 года была принята новая система обозначений. Поэтому тиристоры, выпускаемые с начала 1989 года, маркировались уже согласно ГОСТ 20859.1.89. В основе этого обозначения используется многозначный код, состоящий из следующих элементов:

1. На первом месте стоит буква, указывающая тип устройства. Например, ТО — оптотиристор, ТЗ — тиристор запираемый и так далее.
2. На втором — буква, определяющая тип цепи, в которой может работать тиристор (Ч — высокочастотная, Б — быстродействующая, И — импульсная).
3. Третья цифра — обозначает порядковый номер.
4. Четвёртый знак — характеризует габариты корпуса прибора.
5. Пятый — конструктивное исполнение.
6. Шестой — допустимый ток.
7. Седьмой — полярность. Так, буква Х указывает на то, что катод соединён с корпусом.
8. Восьмой — класс устройства, соответствующий импульсной разности потенциалов для закрытого состояния.
9. Последующие цифры образуют сочетание классификационных параметров.

На схемах и в литературе тиристор подписывается латинскими буквами VS. Графически же изображается наподобие диода, то есть равностороннего треугольника с вертикальной полосой у его вершины. Через середину основания и вершину проходит линия, символизирующая электрическую цепь. Но в отличие от диода у тиристора от нижней стороны треугольника дополнительно отводится прямая линия, обозначающая управляющий электрод (У).

Классификация и различия

Выпускаемые тиристоры различаются не только по тому, как выглядят, и своим характеристикам, но и по виду проводимости, а также количеству выводов. Существует довольно большое их количество, но при этом их можно классифицировать по следующим признакам:

1. Способу управления. Разделяют на приборы, управление которыми происходит путём подачи импульса напряжения на анод-катод (динисторы) или тока на управляющей вывод (тринисторы). В свою очередь, последние можно разделить на управляющиеся по аноду или катоду. А также существует ещё один тип приборов, управляемый квантами света (оптотиристор).
2. Типом обратной проводимости. Существует три вида: проводящие, непроводящие, симметричные (симисторы) — проводящие ток в обоих своих направлениях.
3. Быстродействию. Существуют как сверхбыстрые приборы, так и обыкновенные.

Существенных отличий между динистором и тринистором нет. Но если в первом отпирание происходит при достижении определённого значения напряжения, то во втором это напряжение может быть совсем несущественным, а переключение происходит из-за подачи импульса определённого значения на дополнительный электрод.

Переключение состояний классических тиристоров происходит снижением величины тока либо в случае динистора изменением полярности. Запирающий же тип отличается тем, что через дополнительный вывод понадобится пропустить ток обратной полярности. Поэтому, пропуская через такой тиристор переменный ток, его работа будет соответствовать импульсному режиму.

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.

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.

Делается это путём замыкания первого выключателя К1. В этом случае ток от блока питания через К2, К1, R поступит на управляющий электрод тиристора. Элемент изменит своё состояние на открытое, и через него начнёт протекать ток, поступающий с батареи GB. Итогом будет загоревшая лампочка.

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.

что это? Отвечаем на вопрос.

Принцип работы и характеристики тиристоров

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 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.

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 устройство зарядное на тиристоре, которое позволяет регулировать силу тока 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 полупроводниковым диодом.

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 полевым транзистором. 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, индуктивное сопротивление 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.

Исследование вольтамперных характеристик динистора и тиристора

Цель работы: Исследование вольтамперных характеристик динистора и тиристора, определение их параметров.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Тиристорами называются полупроводниковые приборы, имеющие три и более р-n-перехода, вольт-амперная характеристика которых имеют участок отрицательного диф­ференциального сопротивления, которые могут переключаться  из закрытого состояния в открытое и наоборот, т.е. имеющие  два устойчивых состояния.

Тиристор, имеющий два вывода, через которые протекает ток, называется диодным тиристором или динистором. Тиристор, имеющий два основных и один управляющий вывод, называется триодным тиристором – тринистором. Их вольтамперные характеристики имеют S-образную форму. В одном состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и малый ток (закрытое или выключенное состояние), в другом – низкое сопротивление и большой ток (открыто или включенное состояние). Тиристоры с успехом можно использовать в ключевом режиме.

В настоящее время промышленностью выпускается большое число типов тиристоров с различными характеристиками управления, способных коммутировать токи от единиц миллиампер  до 10000 А при напряжениях, превышающих 10000 В.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис 1.а, и его условное обозначение на рис 1.б. Тиристор представляет собой четырехслойный полупроводниковый  p-n-p-n прибор, содержащий три последовательно соединенных p-n перехода П1, П2, П3. Контакт к внешнему р-слою называется анодом, контакт к внешнему n-слою – катодом, крайние области называются эмиттерами, области n1, р2 – базами. Переход П2 называется коллекторным. Прибор может быть без управляющего электрода (динистор) или иметь один или два таких электрода, подсоединяемых к внутренним р-, n-областям (как на рис.1.).

Если к аноду р1 подключить отрицательный полюс внешнего источника питания а к аноду n2 – положительный (обратное включение), то переходы П1 и П3 будут смещены в обратном направлении и ток через структуру будет равен току обратно смещенных p-n-переходов, т. е. очень мал.

Рис.1. Структура  тиристора (а) и его условное обозначение (б).

Если к аноду р1 подключить положительный полюс внешнего источника питания, а к катоду n2 – отрицательный (прямое включение), то переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном. При этом можно считать, что почти все внешнее приложенное напряжение падает на закрытом коллекторном переходе П2. При увеличении внешнего на­пряжения происходит увеличение напряжения и на эмиттерных переходах П1 и П2, что вызывает увеличение инжекции неосновных носителей в р- и n-базу. При этом дырки, инжектированные из р-эмиттера в n-базу, диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются им в р-базу. Дальнейшему прохождению дырок по тиристорной структуре препятствует электрическое поле второго эмиттерного перехода. Поэтому в р-базе происходит накопление положительного избыточного заряда. Аналогично накапливается избыточный отрицательный заряд в n-базе за счет попадания в нее электронов, инжектированных n-эмиттером. Процесс накопления зарядов в базах n- и р-типа приводит к снижению потенциального барьера коллекторного перехода П2 и сопровождается некоторым увеличением тока, проходящего через динистор (или тиристор при токе управляющего электрода равном нулю). Практически все приложенное напряжение будет падать  на коллекторном переходе П2.

При напряжении на динисторе uвкл переход П2 оказывается в режиме когда потенциальный барьер коллекторного перехода почти полностью исчезает, сопротивление тиристора резко уменьшается, а ток резко увеличивается. На ВАХ этому процессу соответствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (см. рис.2, кривая Iу=0). После этого  ВАХ  тиристора аналогична характеристике диода, смещенного в прямом направлении, т.е. ток резко возрастает с увеличением напряжения.

При этом падение напряжения на динисторе резко уменьшается и становится равным сумме напряжений на трех электронно-дырочных переходах, смещенных в прямом направлении, и составляет единицы вольт. Поэтому, чтобы не произошло разрушения структуры динистора, при его включении последовательно с ним обязательно должна включаться нагрузка Rн, на сопротивление ко­торой будет падать почти все напряжение питания Е. Величина тока, проходящего через динистор во включенном состоянии, определяется сопротивлением нагрузки  Rн и напряжением питания Е:

I = E/Rн

Динистор в открытом находится до тех пор, пока проходящий через него ток поддерживает в базах избыточные заряды, обеспечивающие режим насыщения коллекторного перехода. Если ток, проходящий через динистор, уменьшить до некоторой величины Iвыкл,

то процесс рекомбинации зарядов в базах начнет преобладать над процессом накопления, коллекторный р-n-переход выйдет из режима насыщения и окажется включенным в обратном направлении, сопротивление его возрастет, ток уменьшится, произойдет перераспределение напряжений, инжекция из эмиттеров уменьшится и динистор перейдет в закрытое состояние.

Для определения тока, протекающего через диодный тиристор, часто используют двухтранзисторную модель рис. 3. Так как коллекторный p-n-переход смещен в обратном направлении, то такую структуру легко можно представить в виде комбинации двух транзисторов разной электропроводности с общим коллекторным переходом П2 соединенных между собой так, как показано на рис.3. Ток в цепи определяется током коллекторного  перехода П2. Он однозначно зависит от потока дырок из эмиттера транзистора р-п-р-типа и потока электронов из эмиттера транзистора п-р-п- типа, а также от обратного тока р-п-перехода.

Рис.3.Двухтранзисторнная модель тиристора.

Тринистор отличается от динистора наличием третьего вывода от базовой области. Это позволяет путем подачи на него напряжения управлять величиной напряжения включения. Поэтому тринисторы в отличие от динисторов иногда называют управляемыми переключателями.

Управляющий электрод (УЭ) может быть подведен к любой из баз тринистора. Внешне это выразится лишь в выборе нужной полярности источника напряжения управляющего электрода. С ростом управляющего тока напряжение включения Uвкл уменьшается, так как появляется дополнительная инжекция носителей заряда. Полярность подачи управляющего напряжения: » + » к р-области или » – » к n-области. Если через управляющий электрод тиристора не протекает ток управления, то его вольтамперная характеристика идентична вольтамперной характеристике динистора. Когда ток управления достигает определенной величины, тиристор будет открыт при любом положительном напряжении. Это значение управляющего тока называется током спрямления Iспр.

Таким образом, перевести тиристор в открытое (проводящее) состояние можно, либо подав на него напряжение включения, либо ток управления равный току спрямления. После открытия тиристора управляющий электрод перестает оказывать на него воздействие. Поэтому для включения тиристора достаточно кратковременного прохождения тока в цепи управляющего электрода (τиу ≈10 мкс). Запуск тиристора может быть также осуществлен импульсом света, поданного в плоскость перехода П2. При этом  возрастает обратный ток перехода за счет фотовозбужденных электронно-дырочных пар. Такой способ запуска используется в фототиристорах, когда импульс света включает силовую цепь, осуществляя гальваническую развязку управляющей и силовой цепи.

В связи с тем, что после открытия тиристора его сопротивление резко уменьшается, то ток через тиристор многократно возрастает, что может привести к выходу тиристора из строя. Для ограничения тока последовательно с тиристорам включают нагрузочный резистор, который ограничивает ток в цепи (его часто называют ограничивающим).

Ток и напряжение цепи управления имеют небольшую величину, а ток в анодной цепи может достигать сотен ампер при анодных напряжениях от нескольких десятков до нескольких тысяч вольт. Поэтому коэффициент усиления по мощности у тринисторов достигает величины порядка 104-105.

Так как тиристоры имеют два устойчивых состояния и низкую мощность рассеяния в этих состояниях, то, в первую очередь, они используются как бесконтактные переключатели, причем ток в цепи управления на несколько порядков меньше коммутируемого. Тиристоры широко используются в регулируемых выпрямителях, преобразователях, схемах защиты. Отрицательное дифференциальное сопротивление тиристоров и динисторов используется для создания релаксационных генераторов импульсов напряжения прямоугольной и треугольной формы.

1.2. Основные параметры тиристоров

1.Напряжение включения (переключения) Uвкл. (десятки – сотни В).

2.Напряжение в открытом состоянии – падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии Uос (1-3 В).

3.Обратное напряжение Uобр. – напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы – тысячи В).

4.Запирающее напряжение на управляющем электроде Uуз – напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы – десятки В).

5.Ток в открытом состоянии Iос максимальное значение тока открытого тиристора (сотни мА – сотни А).

6.Ток удержания Iуд. (десятки – сотни мА).

7.Обратный ток Iобр. (доли мА).

8.Отпирающий ток управления Iу от – наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора (десятки мА).

9.Время включения tвкл- время с момента подачи отпирающего импульса до момента, когда напряжение на тиристоре уменьшится до 0. 1 своего начального значения (мкс-десятки мкс).

10.Время выключения tвык- минимальное время, в течение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение (десятки – сотни мкс).

11.Рассеиваемая мощность Р (единицы – десятки Вт).

Обозначения тиристоров состоят из шести элементов. Первый элемент – буква, указывающая исходный материал полупроводника; второй – буква Н для динисторов, У – для тиристоров; третий – цифра, определяющая назначение прибора; четвертый и пятый – порядковый номер разработки; шестой – буква, определяющая технологию изготовления.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

Функциональная схема макета приведена на рис.4. Она состоит из двух независимых друг от друга частей:

Часть 1 – схема для снятия вольтамперных характеристик тиристора и динистора с использованием тиристора КУ 202.

Часть 2 – схема применения динистора (генератор импульсов пилообразного напряжения, собранный на динисторе КН – 102).

Рис.4. Функциональная схема лабораторного макета.

Лабораторный макет состоит из унифицированного корпуса, в который вмонтирован сменный блок с лабораторной работой. На передней панели корпуса расположены: кнопки пяти переключателей, служащие для коммутации: ручки четырех переменных резисторов, используемых для измерения токов и напряжения; головка миллиамперметра, предназначенного для измерения Iа тиристора (динистора) и Iупр тиристора.

На панели сменного блока приведена блок – схема лабораторной работы и вмонтированы гнезда для подключения измерительных приборов.

Переключатель S1 служит для подключения к управляющему электроду исследуемого тиристора генератора Iупр или диода.

Переключатель S2 не задействован.

Переключатель S3 подключает генератор анодного тока тиристора (динистора) к генератору пилообразного напряжения G2 , при работе в ”автоматическом режиме” (просмотр вольтамперных характеристик тиристора и динистора на экране осциллографа) или генератора постоянного напряжения G1 , при работе ”в ручном режиме” (снятие вольтамперных характеристик тиристора и динистора по точкам).

Переключатели S4 и S5 служат для коммутации.

С помощью переключателей S4 и S5 миллиамперметр макета используется для измерения Iупр ,когда переключатель S1 нажат, а все другие отжаты, или для измерения Ia, когда переключатели S4 и S5.

R1 служит для изменения величины напряжения генератора G1.

R2 ” грубо ” и R3 ”точно ” изменяют величину Iупр.

R4 служит для изменения величины анодного напряжения динистора в схеме применения.

Тиристор SCR (управляемый кремниевый выпрямитель)

Добавлено 8 октября 2018 в 20:57

Сохранить или поделиться

Динисторы (диоды Шокли) и тиристоры SCR (Silicon Controlled Rectifiers, управляемые кремниевые выпрямители)

Динисторы (диоды Шокли) – это довольно любопытные устройства, но довольно ограниченные в применении. Однако их полезность может быть расширена путем оснащения их другим средством отпирания. При этом каждый из них становится настоящим усилительным устройством (только если в режиме отпирания/запирания), и мы называем их кремниевыми управляемыми выпрямителями (silicon-controlled rectifier) или SCR тиристорами.

Тиристор SCR (silicon-controlled rectifier, кремниевый управляемый выпрямитель), или просто тринистор

Развитие от динистора до тринистора достигается с помощью одного небольшого дополнения, фактически не более чем третьего подключения к существующей структуре PNPN (рисунок ниже).

Тиристор SCR (управляемый выпрямитель, тринистор)

Проводимость управляемых выпрямителей SCR (тринисторов)

Если управляющий электрод тринистора остается висящим в воздухе (неподключенным), он ведет себя точно так же, как динистор (диод Шокли). Он может быть отперт напряжением переключения или превышением критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом, всё как у динистора. Запирание осуществляется за счет уменьшения тока до тех пор, пока один или оба внутренних транзистора не упадут в режим отсечки, всё как у динистора. Однако, поскольку управляющий вывод подключается непосредственно к базе нижнего транзистора, он может использоваться как альтернативное средство отпирания тиристора SCR. Прикладывая небольшое напряжение между управляющим электродом и катодом, нижний транзистор будет открываться результирующим тока базы, что приведет к тому, что верхний транзистор будет проводить ток, а затем запитывать базу нижнего транзистора, поэтому он больше не будет нуждаться в активации напряжением управляющего электрода. Разумеется, необходимый для отпирания ток управляющего вывода будет намного ниже, чем ток через SCR тиристор от катода до анода, поэтому, используя SCR тиристор, можно добиться усиления.

Переключение/запуск

Данный метод обеспечения проводимости тиристора SCR называется запуском или переключением, и на сегодняшний день наиболее распространенным способом является тот, которым SCR тиристор отпирается в реальной практике. Фактически, SCR тиристоры обычно выбираются так, чтобы их напряжения переключения находились далеко за пределами наибольшего напряжения, ожидаемого от источника питания, поэтому его можно включить (отпереть) только путем преднамеренного импульса напряжения, подаваемого на управляющий вывод.

Обратное переключение

Следует отметить, что SCR тиристоры иногда могут быть выключены (заперты) путем прямого замыкания управляющего вывода и вывода катода или с помощью «обратного переключения» управляющего вывода отрицательным напряжением (относительно катода), чтобы принудительно перевести нижний транзистор в режим отсечки. Я говорю, что это «иногда» возможно потому, что это включает в себя шунтирование всего тока верхнего транзистора через базу нижнего транзистора. Этот ток может быть существенным, что в лучшем случае затрудняет запирание SCR тиристора. Вариация SCR тиристора под названием запираемый тиристор, или GTO (Gate-Turn-Off), облегчает эту задачу. Но даже с GTO тиристором ток управляющего электрода, необходимый для его отключения, может составлять до 20% от тока анода (нагрузки)! Условное обозначение GTO тиристора показано на рисунке ниже.

Условное обозначение GTO тиристора

SCR тиристоры против GTO тиристоров

Тиристоры SCR и GTO имеют одну и ту же эквивалентную схему (два транзистора, соединенные по принципу положительной обратной связи), единственными отличиями являются детали конструкции, предназначенные для предоставления NPN транзистору большего коэффициента β, чем у PNP транзистора. Это позволяет меньшему току управляющего электрода (прямому или обратному) осуществлять большую степень управления проводимостью от катода к аноду, причем открытое состояние PNP транзистора больше зависит от NPN транзистора, чем наоборот. Запираемый тиристор GTO также известен под названием тиристор GCS (Gate-Controlled Switch).

Проверка работоспособности SCR тиристора с помощью мультиметра

Элементарный тест работоспособности SCR тиристора или, по крайней мере, определение выводов, может выполняться измерителем сопротивления. Поскольку внутреннее соединение между управляющим электродом и катодом является PN переходом, мультиметр должен показывать целостность соединения между этими выводами с красным измерительным щупом на управляющем электроде и черным измерительным щупом на катоде следующим образом (рисунок ниже).

Элементарная проверка SCR тиристора

Все остальные измерения целостности соединений, выполненные на SCR тиристоре, будут показывать «разрыв» («OL» на дисплеях некоторых цифровых мультиметров). Следует понимать, что этот тест очень груб и не является полной оценкой SCR тиристора. SCR тиристор может давать хорошие показания омметра и по-прежнему оставаться неисправным. В конечном счете, единственный способ проверить SCR тиристор – подвергнуть его нагрузочному току.

Если вы используете мультиметр с функцией «проверки диода», показания напряжения перехода управляющий электрод — катод, которые вы получите, могут соответствовать, а могут и нет, тому, что ожидается от кремниевого PN перехода (примерно 0,7 вольта). В некоторых случаях вы будете получать показания намного более низкого напряжения перехода: сотые доли вольта. Это связано с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом и включенным в некоторые SCR тиристоры. Этот резистор добавляется, чтобы сделать SCR тиристор менее восприимчивым к ложным срабатываниям из-за ложных импульсов напряжения, из-за «шума» схемы или из-за статического электрического разряда. Другими словами, наличие резистора, подключенного к переходу управляющего электрода и затвора, требует большего переключающего сигнала (существенного тока) для отпирания SCR тиристора. Эта функция часто встречается в мощных SCR тиристорах, а не в маленьких. Не забывайте, что SCR тиристор с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом, будет показывать целостность соединения в обоих направлениях между этими двумя выводами (рисунок ниже).

У больших SCR тиристоров между управляющим электродом и катодом есть встроенный резистор

SCR тиристоры

с чувствительным управляющим электродом

«Обычные» SCR тиристоры, лишенные внутреннего резистора, иногда называются SCR тиристорами с чувствительным управляющим электродом из-за их способности запускаться малейшим положительным сигналом на управляющем электроде.

Тестовая схема для SCR тиристора является практичной в качестве диагностического инструмента для проверки подозрительных SCR тиристоров, а также отличной помощью для понимания основ работы SCR тиристоров. Для питания схемы используется источник питания постоянного тока, а два кнопочных коммутатора используются для отпирания и запирания SCR тиристора (рисунок ниже).

Схема для проверки SCR тиристоров

Нажатие нормально разомкнутой кнопки «вкл» соединяет управляющий электрод с анодом, позволяя протекать току от отрицательного вывода батареи через PN переход катод — управляющий электрод, через кнопку, через резистор нагрузки, и обратно к батарее. Этот ток управляющего электрода должен заставить SCR тиристор отпереться, позволяя протекать току прямо от катода к аноду без дальнейшего отпирания через управляющий электрод. Когда кнопка «вкл» отпущена, нагрузка должна оставаться под напряжением.

Нажатие нормально замкнутой кнопки «выкл» разрывает цепь, заставляя ток через SCR тиристор остановиться, тем самым вынуждая его запереться (величина тока ниже тока удержания).

Ток удержания

Если SCR тиристор не отпирается, проблема может быть связана с нагрузкой, а не с тиристором. Чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, требуется определенная величина тока нагрузки. Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может и не набирать достаточный ток, чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, когда прекращается ток через управляющий электрод, что дает ложное впечатление о плохом (неотпираемом) SCR тиристоре в тестовой схеме. Значения тока удержания для разных SCR тиристоров доступны у производителей. Типовые значения тока удержания колеблются от 1 миллиампера до 50 миллиампер и более для больших тиристоров.

Чтобы проверка была исчерпывающей, необходимо протестировать более чем переключающее поведение. Прямое напряжение переключения SCR тиристора можно проверить, увеличивая напряжение источника постоянного тока (без нажатия кнопок) до тех пор, пока SCR тиристор не отопрется самостоятельно. Остерегайтесь того, что для теста переключения может потребоваться очень высокое напряжение: многие мощные SCR тиристоры имеют номинальное напряжение переключения 600 вольт и более! Кроме того, если имеется импульсный генератор напряжения, аналогичным способом может быть проверена критическая скорость повышения напряжения SCR тиристора: необходимо подвергнуть тиристор импульсному напряжению с разными скоростями напряжение/время без воздействия на кнопочные переключатели и пронаблюдать, когда тиристор отопрется.

В этом простом виде, схема для проверки SCR тиристоров может быть достаточной в качестве схемы управления запуском/остановкой для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки (рисунок ниже).

Схема управления запуском/остановкой двигателя постоянного тока

Схема «монтировки»

Другое практическое применение SCR тиристора в схемах постоянного тока – это устройство «монтировки» для защиты от перенапряжения. Схема «монтировки» состоит из SCR тиристора, установленного параллельно выходу источника постоянного напряжения, для установления короткого замыкания на выходе этого источника питания, чтобы предотвратить подачу слишком повышенного напряжения на нагрузку. Повреждение SCR тиристора и источника питания предотвращается путем установки перед SCR тиристором подходящего предохранителя или существенного последовательного сопротивления для ограничения тока короткого замыкания (рисунок ниже).

Схема «монтировки», используемая в источнике питания постоянного тока

Некоторое устройство или схема, определяющие выходное напряжение, будут подключены к управляющему электроду SCR тиристора, поэтому при возникновении состояния перенапряжения между управляющим электродом и катодом будет приложено напряжение, отпирающее SCR тиристор и заставляющее сработать предохранитель. Эффект будет примерно таким же, как кидание стальной монтировки прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и название схемы.

Большинство применений SCR тиристоров предназначены для управления питанием переменным током, несмотря на то, что SCR тиристоры являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если схеме требуется двунаправленный ток, можно использовать несколько SCR тиристоров, причем для обработки обоих полупериодов волны переменного тока в каждом направлении должны смотреть один или несколько тиристоров. Основная причина, по которой SCR тиристоры вообще используются в приложениях управления питанием переменным током, – это уникальная реакция тиристора на переменный ток. Как мы видели, тиратронная лампа (электронно-ламповая версия SCR тиристора) и симметричный динистор (DIAC), гистерезисное устройство, запускаемое во время части полупериода переменного тока, будут отпираться и оставаться включенными на протяжении всей оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток не уменьшится до нуля, так как должен начинать следующий полупериод. Только перед точкой пересечения нуля сигналом переменного тока тиристор отключится (запрется) из-за недостаточного тока (это поведение также называется естественной коммутацией) и должен будет снова отпереться в следующем периоде. Результатом является ток цепи, эквивалентный «обрезанной» синусоиде. Для примера, ниже приведен график отклика симметричного динистора (DIAC) на переменное напряжение, пиковое значение которого превышает напряжение переключения DIAC.

Двунаправленный отклик симметричного динистора (DIAC)

При использовании DIAC предельное напряжение переключения было фиксированной величиной. С SCR тиристором мы контролируем, когда точно устройство отпирается путем переключения управляющего вывода в любой момент времени периода сигнала. Подключив подходящую схему управления к управляющему электроду SCR тиристора, мы можем «обрезать» синусоиду в любой точке, чтобы обеспечить пропорционально времени управление питанием на нагрузке.

Возьмем в качестве примера схему на рисунке ниже. Здесь SCR тиристор помещается в схему для управления питанием нагрузки, потребляемым от источника переменного тока.

Управление питанием переменным током с помощью SCR тиристора

Будучи однонаправленным (односторонним) устройством, самое большее, что мы можем подать на нагрузку, это только одна полуволна во время полупериода переменного тока, когда полярность напряжения питания положительна сверху и отрицательна снизу. Однако для демонстрации базовой идеи управления пропорционально времени эта простая схема подходит лучше, чем схема, управляющая мощностью во время всей волны (для чего потребуется два SCR тиристора).

При отсутствии переключения на управляющем электроде и величине напряжения источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения переключения SCR тиристора SCR тиристор никогда не откроется. Подключение управляющего электрода SCR тиристора к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через управляющий вывод в случае, если SCR тиристор содержит встроенный резистор между управляющим выводом и катодом) позволит запускать SCR тиристор почти сразу в начале каждого положительного полупериода (рисунок ниже).

Управляющий электрод подключен напрямую к аноду через диод; через нагрузку протекает почти целая полуволна тока.

Задержка запуска SCR тиристора

Однако мы можем отложить запуск SCR тиристора, вставив некоторое сопротивление в цепь управляющего электрода, тем самым увеличивая величину падения напряжения, требуемого перед тем, как будет достигнут достаточный ток управляющего электрода SCR тиристора. Другими словами, если мы затрудняем движение электронов через управляющий электрод путем добавления сопротивления, переменное напряжение должно будет достигнуть более высокой точки в своем цикле, прежде чем будет достигнут достаточный ток управляющего вывода, чтобы включить SCR тиристор. Результат показан на рисунке ниже.

В цепь управляющего электрода вставлено сопротивление; через нагрузку протекает меньше полуволны тока.

Когда сигнал «полусинусоиды» будет в значительной степени обрезан за счет задержки запуска SCR тиристора, нагрузка получит меньшую среднюю мощность (питание подается на меньшее время в течение всего периода). Сделав последовательный резистор в цепи управляющего электрода переменным, мы можем подстроить мощность пропорционально времени (рисунок ниже).

Увеличение сопротивления повышает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит меньшая мощность.

Уменьшение сопротивления понижает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит большая мощность.

К сожалению, эта схема управления имеет значительные ограничения. При использовании сигнала источника переменного тока в качестве сигнала, переключающего наш SCR тиристор, мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем подождать, чтобы переключить SCR тиристор после пика сигнала. Это означает, что мы можем убавить мощность только до того момента, когда SCR тиристор включится на самом пике сигнала.

Схема при установке минимальной мощности

Повышение порога срабатывания переключения приведет к тому, что схема не будет запускаться вообще, так как даже пик переменного напряжения источника питания будет недостаточным для запуска SCR тиристора. В результате питание на нагрузку подаваться не будет.

Гениальное решение этой дилеммы управления обнаруживается при добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора (рисунок ниже).

Добавление в схему фазосдвигающего конденсатора

Меньший сигнал, показанный на графике, представляет собой напряжение на конденсаторе. Для иллюстрации фазового сдвига я предполагаю условие максимального управляющего сопротивления, когда SCR не запускается вообще и не подает на нагрузку ток, за исключением того, какой небольшой ток проходит через управляющий резистор и конденсатор. Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0° до 90°, отставая от сигнала переменного тока. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, SCR тиристор отпирается.

При напряжении на конденсаторе, достаточном для периодического запуска SCR тиристора, итоговый сигнал тока нагрузки будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Сдвинутый по фазе сигнал переключает SCR тиристор в режим проводимости

Поскольку сигнал на конденсаторе всё еще растет после того, как основной сигнал от источника питания достиг своего пика, становится возможным запустить SCR тиристор на пороговом уровне за этим пиковым значением, тем самым обрезая сигнал тока нагрузки дальше, чем это было возможно с более простой схемой. В действительности сигнал напряжения конденсатора немного сложнее, чем показано здесь, его синусоидальная форма искажается каждый раз, когда открывается SCR тиристор. Однако то, что я пытаюсь проиллюстрировать здесь, – это отложенное срабатывание, связанное с фазосдвигающей RC цепью; таким образом, упрощенная, неискаженная форма сигнала хорошо служит этой цели.

Запуск SCR тиристоров сложными схемами

SCR тиристоры также могут быть запущены, или «отперты», более сложными схемами. Хотя ранее показанная схема достаточна для простого применения, такого как управление лампой, управление большими промышленными двигателями часто опирается на более сложные схемы запуска. Иногда для соединения схемы запуска с управляющим электродом и катодом SCR тиристора для обеспечения электрической изоляции между цепями запуска и силовыми цепями используются импульсные трансформаторы (рисунок ниже).

Трансформаторная связь сигнала переключения обеспечивает изоляцию

Когда для управления питанием используется несколько SCR тиристоров, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение единой схемы запуска ко всем SCR тиристорам одинаково. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель, показанный на рисунке ниже.

Управляемый мостовой выпрямитель

В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в этом примере выпрямительные SCR тиристоры) должны проводить ток в противоположных парах. SCR₁ и SCR₃ должны быть запущены одновременно, и SCR₂ и SCR₄ должны быть запущены как пара. Однако, как вы заметили, эти пары SCR тиристоров не используют одни и те же соединения катодов, а это означает, что схема не будет работать, если просто запараллелить их управляющие электроды и подключить к ним единый источник напряжения, чтобы запустить оба тиристора (рисунок ниже).

Эта стратегия не будет работать для запуска SCR₂ и SCR₄ в качестве пары

Хотя показанный источник напряжения запуска запустит SCR₄, он не запустит должным образом SCR₂, потому что эти два тиристора не имеют общего соединения катодов для использования его в качестве опорной точки для напряжения запуска. Однако импульсные трансформаторы, подключающие два управляющих электрода тиристоров к источнику напряжения запуска, будут работать (рисунок ниже).

Трансформаторная связь управляющих электродов позволяет запускать SCR₂ и SCR₄

Имейте в виду, что эта схема показывает подключение управляющих электродов только двух из четырех SCR тиристоров. Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR₁ и SCR₃, а также детали самих импульсных источников были опущены для простоты.

Управляемые мостовые выпрямители не ограничиваются однофазными схемами. В большинстве промышленных систем питание переменным током доступно в трехфазной форме для получения максимальной эффективности, и из-за своих преимуществ в них используются твердотельные схемы управления. Схема трехфазного управляемого выпрямителя, построенная на SCR тиристорах, не показывающая импульсных трансформаторов и схем запуска, будет выглядеть как на рисунке ниже.

Трехфазное мостовое управление нагрузкой на SCR тиристорах

Резюме

• Кремниевый управляемый выпрямитель, или SCR тиристор, по сути, является динистором (диодом Шокли) с дополнительным выводом. Этот дополнительный вывод называется управляющим электродом, и он используется для переключения устройства в режим проводимости (отпирает его) с помощью прикладывания небольшого напряжения. Для запуска, или отпирания, SCR тиристора напряжение должно быть приложено между управляющим электродом и катодом, плюс на управляющий электрод, минус на катод.
• При тестировании SCR тиристора кратковременное соединение между управляющим электродом и анодом достаточно по полярности, интенсивности и продолжительности, чтобы отпереть тиристор. SCR тиристоры могут быть запущены с помощью преднамеренного запуска вывода управляющего электрода, повышенного напряжения (переключения) между анодом и катодом или повышенной скорости нарастания напряжения между анодом и катодом. SCR тиристоры могут быть выключены (заперты) падением анодного тока ниже значения тока удержания (выключение по низкому току) или «обратным переключением» управляющего электрода (прикладывание отрицательного напряжения к управляющему электроду). Обратное переключение эффективно только иногда и всегда включает в себя высокий ток через управляющий вывод.
• Вариант SCR тиристора, называемый запираемым тиристором (GTO (Gate-Turn-Off) тиристор), специально предназначен для отключения с помощью обратного переключения. Даже в этом случае обратное переключение требует довольно высокого тока: обычно 20% от тока анода. Выводы SCR тиристора могут быть идентифицированы с помощью мультиметра в режиме «прозвонки»: единственные два вывода, показывающие какие-либо показания при «прозвонке», должны быть управляющий электрод и катод. Выводы управляющего электрода и катода подключаются к PN переходу внутри SCR тиристора, поэтому мультиметр в режиме «прозвонки» должен выдавать диодо-подобные показания между двумя этими выводами с красным (+) щупом на управляющем электроде и черным (-) щупом на катоде. Однако имейте в виду, что некоторые мощные SCR тиристоры содержат внутренний резистор, подключенный между управляющим электродом и катодом, что повлияет на любые измерения целостности соединения, проводимые мультиметром.
• SCR тиристоры являются настоящими выпрямителями: они пропускают ток через себя только в одном направлении. Это означает, что они не могут использоваться в одиночку для двухполупериодного управления питанием переменным током. Если диоды в схеме выпрямителя заменить на SCR тиристоры, вы получите схему управляемого выпрямителя, где питание постоянным напряжением может подаваться на нагрузку пропорционально времени отпирания SCR тиристоров в разные моменты периода переменного напряжения питания.

Оригинал статьи:

Теги

SCR / тринистор (кремниевый управляемый выпрямитель)Защита цепейМультиметрОбучениеТиристорТок удержанияЭлектроника

Сохранить или поделиться

Тиристоры

Название	Описание
A0516YC200	Асимметричный   тиристор, 2000В, 516А
A0516YC240	Асимметричный   тиристор, 2400В, 516А
A0516YC280	Асимметричный   тиристор, 2800В, 516А
A1237NC200	Асимметричный тиристор, 2000В, 1237А
A1237NC240	Асимметричный   тиристор, 2400В, 1237А
A1237NC280	Асимметричный   тиристор, 2800В, 1237А
CLA30E1200HB	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 30А
CLA30E1200PB	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 30А
CLA30E1200PC	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 30А
CLA40P1200FC	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 40А, конфигурация Phase leg
CLA50E1200HB	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 50А
CLA50E1200TC	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 50А
CLA5E1200UC	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 5А
CLA80E1200HF	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 80А
CLB30I1200HB	Высокоэффективный   тиристор, 1200В, 30А
CMA30E1600PB	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 30А
CMA30E1600PN	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 30А
CMA30E1600PZ	Высокоэффективный   тиристор, 1600В, 30А
CMA30P1600FC	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 30А, конфигурация Phase leg
CMA50E1600TZ	Высокоэффективный   тиристор, 1600В, 50А
CMA50P1600FC	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 50А, конфигурация Phase leg
CMA80E1600HB	Высокоэффективный   тиристор, 1600В, 80А
CS19-08ho1	SCR   тиристор общего назначения, 800В, 19А
CS19-08ho1S	SCR   тиристор общего назначения, 800В, 19А
CS19-12ho1	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 19А
CS19-12ho1S	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 19А
CS20-12io1	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 19А
CS20-14io1	SCR   тиристор общего назначения, 1400В, 19А
CS20-16io1	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 19А
CS20-22moF1	Высоковольтный   SCR тиристор общего назначения, 2200В, 18А
CS20-25mo1F	Высоковольтный   SCR тиристор общего назначения, 2500В, 18А
CS22-08io1M	SCR   тиристор общего назначения, 800В, 16А
CS23-08io2	SCR   тиристор общего назначения, 800В, 32А
CS23-12io2	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 32А
CS23-16io2	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 32А
CS30-12io1	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 31А
CS30-14io1	SCR   тиристор общего назначения, 1400В, 31А
CS30-16io1	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 31А
CS35-08io4	SCR   тиристор общего назначения, 800В, 69А
CS35-12io4	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 69А
CS35-14io4	SCR   тиристор общего назначения, 1400В, 69А
CS45-08io1	SCR   тиристор общего назначения, 800В, 48А
CS45-12io1	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 48А
CS45-16io1	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 48А
CS45-16io1R	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 48А
CS60-12io1	SCR   тиристор общего назначения, 1200В, 48А
CS60-14io1	SCR   тиристор общего назначения, 1400В, 48А
CS60-16io1	SCR   тиристор общего назначения, 1600В, 48А
CS8-08io2	SCR   Тиристор общего назначения, 800В, 16А
CS8-12io2	SCR   Тиристор общего назначения, 1200В, 16А
MCR100-3	Тиристоры   на 100 В, 0. 8 А
MCR100-4	Тиристоры   на 200 В, 0.8 А
MCR100-5	Тиристоры   на 300 В, 0.8 А
MCR100-6	Тиристоры   на 400 В, 0.8 А
MCR100-7	Тиристоры   на 500 В, 0.8 А
MCR100-8	Тиристоры   на 600 В, 0.8 А
P0128Sh20C	Быстродействующий   тиристор, 1000В, 128А

Экспериментальное определение основных характеристик тиристоров

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№6

Экспериментальное определение основных характеристик

тиристоров

ТЕОРИЯ

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, на ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристор представляет собой электронный ключ, который может находиться в двух устойчивых состояниях: открытом и закрытом. По количеству выводов различают диодный тиристор (динистор), обладающий двумя выводами (анод и катод), триодный тиристор (тринистор), имеющий три вывода — анод, катод и управляющий электрод, тетродный тиристор (симистор), имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Основное назначение тиристора – безобрывная (электронная) коммутация электрических цепей.

Тиристор имеет структуру p—n—p—n, т.е. имеет 3 p—n— перехода. Он имеет 3 вывода, называемые — анод, катод и управляющий электрод.

Рассмотрим работу диодного и триодного тиристора. На рис. 1 приведены структурные схемы тиристоров. Объемы полупроводников, прилегающие к выводам катода (К) и анода (А) называются соответственно первым и вторым эмиттерами, к первому эмиттеру прилегает первая база, ко второму — вторая база.

Рис.1. Структуры тиристоров

В тиристоре различают первый (П1) и второй (П3) эмиттерные переходы, средний переход называется коллекторным (П2), а управляющий электрод Уэ – со слоем P₁ или N₂.

На рис. 2 показана возможная схема включения триодного тиристора. Положительное относительно катода напряжение U_a подается на анод, а управляющее напряжение U_y – на управляющий электрод. При такой полярности внешнего напряжения коллекторный переход П2 оказывается под обратным напряжением, а эмиттерные переходы П1и П3 — под прямым. Ток через П2, а следовательно, и ток тиристора равен

,

где и коэффициенты передачи эмиттеров. Откуда:

. (1)

Учитывая, что ток зависит от обратного напряжения на коллекторном переходе, а коэффициенты — от тока I, формула (1) представляет собой уравнение ВАХ тиристора в неявной форме (рис. 3.). При положительном напряжении на аноде (участок ОБ) через тиристор протекает очень маленький

Рис.2 Возможная схема включения тиристора.

ток — тепловой ток П2, равный нескольким десяткам микроампер). Это объясняется тем, что почти все внешнее напряжение падает на закрытом П2, прямые токи П1 и П3 очень малы и лишь незначительно превышают их тепловые токи. Кроме того, при таких токах эмиттеров коэффициенты передачи и очень малы (обычно не более 0,1…0,2). С повышением напряжения на аноде увеличивается ток I (за счет обратного тока , зависящего от внешнего напряжения). При этом увеличиваются коэффициенты передачи эмиттеров и растет инжекция носителей заряда. Электроны, инжектируемые Э1 через коллекторный переход попадают в базу Б2, которая является своеобразной “ловушкой” для них. В базе Б2 возрастает неравновесный отрицательный заряд, снижающий ее потенциал, что, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок из Э2. Эти дырки, попадая через П2 в базу Б1 увеличивают в ней неравновесный положительный заряд (база является “ловушкой” для дырок) и, следовательно, инжекцию электронов из Э1. Таким образом, в тиристоре возникает положительная обратная связь, которая приводит к увеличению анодного тока I. Следует отметить, что определенную роль в увеличении тока I может играть механизм ударной ионизации и лавинного размножения носителей заряда в закрытом коллекторном переходе.

Рис.3. ВАХ тиристора при различных токах на управляющем электроде.

Пока суммарный коэффициент , тиристор находится в закрытом состоянии (участок ОБ рис.3.). По мере приближения напряжения к некоторой величине U_ВКЛ значение стремится к 1 и начинается переключение тиристора.

Дальнейшее зависит от условий измерений:

1. Если напряжение U_А подается от генератора напряжения (т. е. источника питания с малым внутренним сопротивлением) анодный ток I будет неограниченно возрастать [1- в выражении (1) стремится к нулю] и прибор выйдет из строя.

2. Если в эксперименте используется генератор тока (т.е. источник тока с большим внутренним сопротивлением), то можно получить характеристику (на участке АВ) с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок СВ). На этом участке малому увеличению тока будет соответствовать сильное уменьшение напряжения на тиристоре. Такая сильная зависимость обусловлена рассмотренной ранее положительной обратной связью, которая при [1- ≈ 0] очень глубокая. Физически уменьшение напряжения происходит за счет компенсации зарядов ионов доноров и акцепторов в коллекторном переходе электронами и дырками, накапливающимися в базах тиристора вблизи перехода. Толщина коллекторного перехода уменьшается и потенциальный барьер в нем, определяющий напряжение на тиристоре, уменьшается. При достижении точки С все три перехода тиристора оказываются смещенными в прямом направлении, и тиристор открывается (напряжение U_А>>1В). Вид ВАХ на участке СА (открытого тиристора) в основном определяется объемными сопротивлениями эмиттерных и базовых областей тиристора.

3. На практике обычно применяют источник напряжения с внутренним сопротивлением R намного меньшим, чем отрицательное дифференциальное сопротивление тиристора на участке BС. При этом переключение из закрытого состояния в открытое произойдет скачкообразно, как изображено на рисунке 3 (работает положительная обратная связь). Аналогично произойдет и выключение тиристора при уменьшении напряжения. Точке С соответствует ток I_УД — удерживающий ток тиристора, то есть минимальный ток, необходимый для поддержания открытого состояния тиристора.

При подаче отрицательного напряжения на анод тиристора относительно катода коллекторный переход оказывается смещенным в прямом направлении, а эмиттерные переходы П1 и П2 — в обратном. Ток через тиристор мал. При больших отрицательных напряжениях может произойти пробой эмиттерных переходов, однако, этот режим является нерабочим.

Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рис. 1). При наличии в цепи управляющего электрода тока I_У ток через эмиттерный переход П1 увеличивается, следовательно условие перехода тиристора из закрытого состояния в открытое >>1, будет достигаться при меньшем напряжения включения U_ВКЛ (рис.3). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода I_У можно изменять величину напряжения включения U_ВКЛ.

Основными параметрами динистора являются:

− напряжение прямого переключения U_вкл;

− допустимое обратное напряжение U_обр;

− остаточное напряжение U_ос, напряжение на открытом тиристоре, при номинальном токе;

− номинальный ток нагрузки I_н;

− минимальный ток удержания I_удер, значение тока, меньше которого средний n-p-переход закрывается;

− ток утечки I_ут, соответствующий прямому напряжению U_вкл /2;

− время включения τ_вкл ≈ 10-30 мкс;

− время выключения τ_выкл ≈ 20-30 мкс;

− Р_OСmax – максимальная рассеиваемая мощность в открытом состоянии.

Триодный тиристор имеет все те же параметры, что и динистор. Кроме того, его параметрами являются:

− номинальный управляющий ток I_у.ном;

− номинальное управляющее напряжение U_упр;

− ток спрямления I_спр, представляющий собой управляющий ток, при котором напряжение прямого переключения становится равным остаточному напряжению открытого тиристора U_ос.

В настоящее время для управления мощностью переменного тока широко используют симисторы, у которых вольтамперная характеристика одинакова в I и III квадрантах, т.е. является симметричной.

Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением специальных пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами.

Промышленностью выпускаются тиристоры на токи 1-2000А и напряжения включения 100-4000В, широко применяемые в управляемых выпрямителях и инверторах. Тиристоры находят широкое применение в радиосвязи, радиолокации, устройствах автоматики как управляющие ключи.

Основным достоинством тиристоров, по сравнению с биполярными транзисторами, является возможность переключения короткими импульсами тока управляющего электрода (меньшее потребление энергии в цепи управления). К недостаткам тиристоров следует отнести значительно большие времена переключения (единицы миллисекунд — сотни микросекунд).

Общие сведения

Тиристоры — переключающие полупроводниковые приборы, имеющие четырёхслойную структуру. Они имеют два устойчивых состояния: открытое (проводящее) и закрытое (непроводящее). Они выпускаются с двумя или тремя выводами. В первом случае они называются динисторами (или диодными тиристорами) во втором -тринисторами (триодными или управляемыми тиристорами). Их условные обозначения показаны на рис. 2.10.1. Выводы обозначаются: А — анод, К — катод, УЭ — управляющий электрод. Производятся также симметричные динисторы и тиристоры (симисторы), которые могут проводить ток в обоих направлениях и эквивалентны двум динисторам или тиристорам, соединённым встречно — параллельно.

Рис. 4

Четырёхслойная структура динистора представлена на рис.2.10.2а. Для уяснения принципа действия четырёхслойный прибор можно представить как два трёхслойных прибора (рис. 2.10.26) или два транзистора, соединённых как показано на рис. 2.10.2 в.

Рис. 5

При прямом приложенном напряжении, показанном на рисунках, левый и правый p-n переходы открыты, а средний закрыт. Через тиристор протекает лишь незначительный ток неосновных носителей (рис. 2.10.2г). По мере увеличения прямого напряжения энергия носителей заряда, проходящих через запертый n1-p2 увеличивается и при некотором напряжении (б’вкл) возникает ударная ионизация атомов полупроводника в зоне щ — рг перехода, ток резко возрастает, два транзистора (рис. 2.10.2в) открываются, напряжение на тиристоре резко падает, и он переходит в открытое состояние. Вольт-амперная характеристика открытого тиристора аналогична вольт-амперной характеристике диода. При снижении тока тиристор остаётся в открытом состоянии до некоторого небольшого тока, называемого током удержания (/уд). Он несколько меньше тока включения, показанного на рис. 2.10.2г.

Управляемые тиристоры имеют кроме основных выводов «Анод» и «Катод» третий вывод «Управляющий электрод». Он показан на рис. 2.10.2в пунктиром. Подавая на него импульс тока положительной полярности, мы принудительно открываем один из транзисторов, второй транзистор также открывается, так как через его базу начинает протекать ток коллектора другого транзистора. Напряжение включения уменьшается, как показано на рис. 2.10.2г пунктиром. При токе управления, превышающем открывающий ток управления (/ ₀ткр. у) вольт-амперная характеристика тиристора полностью аналогична характеристике диода.

Важно, что управляемый тиристор остаётся во включенном состоянии и после снятия управляющего тока. Он выключается только при снижении тока через него ниже тока удержания. Причём, для того чтобы тиристор не включился самопроизвольно при следующей подаче на него прямого напряжения, он должен находиться в выключенном состоянии определённое время, называемое временем восстановления запирающих свойств. Кроме того, скорость нарастания анодного напряжения не должна превышать для данного типа тиристоров допустимую величину.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание

Снять статические вольт-амперные характеристики динистора, управляемого тиристора и триодного симистора. Определить напряжение включения динистора, минимальные открывающие ток тиристора и симистора, токи удержания.

Порядок выполнения эксперимента

1. Соберите цепь для снятия вольт-амперной характеристики динистора согласно схеме (рис. 6).

2. Плавно увеличивая напряжение регулируемого источника напряжения, определите напряжение включения динистора (это наибольшее напряжение, при котором ток еще равен нулю, при дальнейшем увеличении напряжения источника ток возрастает скачком, а напряжение на динисторе скачком уменьшается). Запишите значение Uвкл в табл. 2.10.1.

Рис. 6

3. Плавно уменьшая напряжение регулируемого источника напряжения, определите ток удержания динистора (это наименьшее значение тока, при котором динистор еще остается включенным, при дальнейшем снижении напряжения источника ток скачком падает до нуля, а напряжение на динисторе скачком возрастает). Запишите значение Iуд также в табл. 1.

4. Приведите динистор во включенное состояние и, уменьшая напряжение регулируемого источника, поочередно устанавливайте значения тока, указанные в табл. 1 и записывайте соответствующие напряжения на динисторе.

5. На рис. 7 постройте кривую зависимости тока от напряжения (вольт-амперную характеристику).

Таблица 1.

Рис. 7

6. Соберите цепь (рис. 8) для исследования характеристик управяемых тиристоров. Ручку потенциометра поверните вправо до упора (ток управления равен нулю).

7. Включите питание и, вращая ручку регулятора постоянного напряжения влево и вправо до упора, убедитесь, что тиристор закрыт, как при прямом, так и при обратном приложенном напряжении.

8. Оставьте ручку регулятора постоянного напряжения в крайнем правом положении, и потенциометром увеличивайте ток управления до тех пор, пока не включится лампочка, что свидетельствует о переходе тиристора в открытое состояние. Верните ручку потенциометра в правое крайнее положение и убедитесь, что и при отсутствии тока управления тиристор остаётся включённым.

9. Выключите тиристор кратковременным разрыванием анодной цепи или снижением приложенного напряжения до любого отрицательного значения.

10. Снова включите тиристор при максимальном приложенном напряжении, ток управления сделайте равным нулю и, уменьшая приложенное напряжение снимите вольтамперную характеристику (табл. 1) и постройте её график (рис.7).

11. Снова включив тиристор и, плавно уменьшая напряжение регулируемого источника напряжения, определите ток удержания тиристора (Определяйте его при токе управления равном нулю!). Запишите значение Iуд также в табл. 1.

Рис. 8

12. Медленно увеличивая ток управления потенциометром (при максимальном анодном напряжении и непроводящем состоянии тиристора), зафиксируйте ток управления, при котором происходит включение тиристора. Проделайте этот опыт несколько раз и запишите Iоткр.у в табл. 1.

13. Замените тиристор симистором МАС97А6, сопротивление в цепи управления 10 кОм на 1 кОм и проделайте аналогичные опыты по определению Iоткр.у, при двух напряжениях питания: +13 В (ручка регулятора в правом крайнем положении) и — 13 В (ручка регулятора в левом крайнем положении). В каждом из этих случаев симистор может открываться как положительным током управления, так и отрицательным. Для получения отрицательного тока управления переключите питание потенциометра с гнезда +15 В на гнездо -15 В.

14. Снимите вольтамперные характеристики при положительном и отрицательном анодном напряжениях, определите токи удержания. Результаты запишите в табл. 1 и постройте графики на рис. 7.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему закрытое состояние тиристора устойчиво?

2. Сохранится ли открытое состояние тиристора при снятии сигнала управления?

3. Объясните физические процессы, ответственные за переключение тиристора из одного устойчивого состояния в другой.

4. В чем преимущества и недостатки тиристора перед транзисторными ключами и контактным переключателем?

5. В чем роль управляющего электрода?

6. Как возникает в тиристоре положительная обратная связь?

Характеристики тиристора или характеристики тиристора

Тиристор представляет собой четырехслойное полупроводниковое устройство с тремя p-n-p-n переходами, состоящее как минимум из трех p-n переходов и функционирующее как электрический переключатель для операций большой мощности. Он имеет три основных вывода, а именно анод, катод и затвор, установленные на полупроводниковых слоях устройства. Символическая схема и принципиальная схема для определения характеристик тиристора показаны на рисунке ниже,

VI Характеристики тиристора

Из приведенной выше принципиальной схемы видно, что анод и катод подключены к напряжение питания через нагрузку. Другой вторичный источник E _s применяется между затвором и выводом катода, который обеспечивает положительный ток затвора, когда переключатель S замкнут.
При подаче питания мы получаем требуемые V-I характеристики тиристора , показанные на рисунке ниже для напряжения между анодом и катодом V _a и тока анода I _a , как видно из принципиальной схемы. Детальное изучение характеристик показывает, что тиристор имеет три основных режима работы, а именно режим обратной блокировки, режим прямой блокировки (закрытое состояние) и режим прямой проводимости (включенное состояние).Которые подробно обсуждаются ниже, чтобы понять общие характеристики тиристора .

Обратный режим блокировки тиристора

Первоначально для режима обратной блокировки тиристора катод становится положительным по отношению к аноду путем подачи напряжения E, а затвор к катоду питает напряжение E _s изначально отсоединяется, сохраняя переключатель S открыт. Чтобы понять этот режим, мы должны заглянуть в четвертый квадрант, где тиристор смещен в обратном направлении.

Здесь соединения J ₁ и J ₃ смещены в обратном направлении, тогда как соединение J ₂ смещено в прямом направлении. Поведение тиристора здесь аналогично поведению двух диодов, соединенных последовательно с приложенным к ним обратным напряжением. В результате протекает только небольшой ток утечки порядка нескольких мкА.
Это реверсивный режим блокировки или закрытое состояние тиристора. Если теперь увеличить обратное напряжение, то при определенном напряжении, известном как критическое напряжение пробоя V _BR , возникает лавина при J ₁ и J ₃ , и обратный ток быстро возрастает.Большой ток, связанный с V _BR , приводит к большим потерям в тринисторах, что приводит к нагреву. Это может привести к повреждению тиристора, так как температура перехода может превысить допустимое превышение температуры. Поэтому следует обеспечить, чтобы максимальное рабочее обратное напряжение на тиристоре не превышало V _BR . Когда обратное напряжение, подаваемое на тиристор, меньше, чем V _BR , устройство обеспечивает очень высокий импеданс в обратном направлении. Таким образом, SCR в режиме обратной блокировки можно рассматривать как разомкнутую цепь.

Режим прямой блокировки

Теперь рассмотрим, что анод положителен по отношению к катоду, а затвор остается в открытом состоянии. Теперь говорят, что тиристор смещен в прямом направлении, как показано на рисунке ниже.

Как мы видим, соединения J ₁ и J ₃ теперь смещены в прямом направлении, но соединение J ₂ переходит в состояние обратного смещения. В этом конкретном режиме сначала допускается протекание небольшого тока, называемого прямым током утечки, как показано на диаграмме характеристик тиристора.Теперь, если мы продолжим увеличивать смещенное в прямом направлении напряжение между анодом и катодом.

В этом конкретном режиме тиристор проводит ток от анода к катоду с очень небольшим падением напряжения на нем. Тиристор переводится из режима прямой блокировки в режим прямой проводимости путем его включения путем превышения перенапряжения прямого отключения или подачи импульса затвора между затвором и катодом. В этом режиме тиристор находится в открытом состоянии и ведет себя как замкнутый ключ. Падение напряжения на тиристоре во включенном состоянии составляет порядка 1-2 В в зависимости от определенной точки, тогда переход J ₂ с обратным смещением будет иметь лавинный пробой при напряжении, называемом перенапряжением прямого пробоя V _B0 от тиристор.Но, если оставить прямое напряжение меньше, чем V _BO , по характеристикам тиристора видно, что устройство обладает высоким импедансом. Таким образом, даже здесь тиристор работает как открытый ключ во время режима прямой блокировки.

Режим прямой проводимости

При увеличении прямого напряжения анод-катод при разомкнутой цепи затвора обратный переход J ₂ будет иметь лавинный пробой при прямом перенапряжении отключения V _BO , что приведет к включению тиристора. Как только тиристор включен, мы можем видеть из диаграммы для характеристик тиристора , что точка М сразу смещается в сторону N, а затем куда-то между N и K. Здесь NK представляет режим прямой проводимости тиристора. В этом режиме работы тиристор проводит максимальный ток с минимальным падением напряжения, это известно как прямая проводимость, прямая проводимость или режим включения тиристора.

Характеристики переключения тиристора — Примечания для инженеров

Характеристики переключения тиристора: Тиристор подвергается воздействию различных напряжений или токов во время процессов включения и выключения.Из-за изменения приложенного напряжения и тока мы получаем переключающую или динамическую или открытую характеристику тиристора. Для надежного и экономичного проектирования преобразовательных схем на тиристоре важное значение имеет изучение характеристик переключения тиристора.

Здесь мы обсудим характеристики включения или выключения тиристора в двух разделах. В первую очередь речь пойдет о характеристиках переключения тиристора при включении, а затем при выключении.

Характеристики переключения тиристора при включении

Для запуска тиристора или перевода тиристора в режим проводимости существуют различные методы. Одним из методов запуска тиристора является запуск затвора, при котором тиристор с прямым смещением заставляет работать тиристор с прямым смещением в режиме прямой проводимости путем приложения положительного напряжения затвора к выводу затвора и катоду.

При срабатывании тиристора существует определенная временная задержка между переходом из режима прямой блокировки в режим прямой проводимости.Встречающаяся временная задержка называется временем включения тиристора.

Рисунок (a): Характеристики переключения тиристорного сигнала

Для обсуждения характеристик переключения тиристора во время включения время включения далее делится на время задержки (t _d ), время нарастания (t _r ) и время разброса (t _p ).

1. Время задержки (t

_d )

Время, необходимое току затвора для достижения 0,9-кратного I _g с момента подачи тока затвора.Предельное значение тока затвора равно Ig.

Другими словами, это время, за которое анодный ток достигает 0,1-кратного I _a . Здесь I _a — конечное значение анодного тока.

Кроме того, время задержки (t _d ) — это время, необходимое для снижения анодного напряжения с V _o до 0,9 умноженного на V _a , где V _a — начальное значение анодного напряжения.

Это также может быть определено с точки зрения прямого тока утечки, чтобы увеличиться от прямого тока утечки до 0.1 раз я .

Из рисунка (а) видно, что тиристор изначально находится в режиме блокировки при прохождении, когда анодное напряжение равно 0 А, а анодный ток представляет собой прямой ток утечки, который очень мал.

Начало процесса включения определяется ростом анодного тока и падением анодного напряжения. Время задержки (t _d ) может быть уменьшено либо приложением высокого тока затвора, либо более высоким прямым напряжением на аноде и катоде.Эта временная задержка составляет порядка нескольких микросекунд (мкс).

2. Время нарастания (t

_r )

Время нарастания – это время, в течение которого анодный ток возрастает с 0,1 I _a до 0,9 I _{a .} I _a – конечное значение анодного тока.

В качестве альтернативы, это время, в течение которого напряжение прямой блокировки или анодное напряжение падает с 0,9 В _a до 0,1 В _a , а V _a является начальным значением (OA на рисунке a) анодного напряжения.

Время нарастания можно уменьшить за счет применения большого тока затвора, поскольку оно обратно пропорционально величине и скорости нарастания тока затвора.

Более того, подача крутого импульса тока затвора на клемму затвора SCR уменьшает время нарастания.

Характер анодной цепи в основном определяет время нарастания.

В условиях последовательной RL-цепи индуктивный эффект вызывает медленную скорость нарастания тока (di/dt), а время задержки (t _r ) больше для такой цепи.Однако для последовательной цепи RC скорость нарастания тока высока и, следовательно, t _r меньше.

Мощность в этот период высока, что видно на рисунке а. Это связано с более высоким значением V _a и I _a в этот период.

3. Время распространения (t

_p )

Время, в течение которого анодный ток увеличивается с 0,9I _a до I _a или анодное напряжение падает с 0,1 В _a до падения напряжения в открытом состоянии.Падение напряжения во включенном состоянии составляет от 1 до 5 В. Время распространения зависит от конструкции затвора и площади катода.

Характеристики переключения тиристора при выключении

Выключение тиристора указывает на изменение рабочего состояния тиристора из режима прямого проводника в режим прямого блокирования или проще говоря из включенного состояния в выключенное. Когда тиристор возвращается в закрытое состояние, он должен блокировать прямое напряжение.

Процесс выключения

Процесс выключения также называется процессом коммутации и представляет собой процесс перевода тиристора из режима проводимости в режим блокировки.

Отключение тиристора возможно только при снижении анодного тока ниже тока удержания.

В момент, когда анодный ток обнуляется и при наличии прямого напряжения на тиристорах, тиристоры переходят в режим проводимости, хотя ток затвора не подается. В этот момент тиристор не сможет блокировать прямое напряжение, поскольку четыре слоя тиристора все еще находятся в благоприятном состоянии для проведения тока.

Чтобы отключить тиристор и исключить такую ​​ситуацию, тиристор должен быть подвергнут обратному смещению напряжения в течение определенного времени после того, как анодный ток достигнет нуля.

Время выключения (t

_q )

Продолжительность времени с момента, когда анодный ток падает до нуля, и момента, когда тиристор восстанавливает свою способность прямой блокировки, известен как время выключения (t _q ).

Время выключения можно дополнительно изучить по двум классификациям: время обратного восстановления (t _rr ) и время восстановления ворот (t _gr ) .

В течение периода выключения лишние носители из четырех слоев тиристоров удаляются, так что он восстанавливает свою способность прямой блокировки.

1. Время обратного восстановления (t

_rr )

Из рисунка видно, что время восстановления t _rr делится на моменты t ₁ , t _{2 ,} и t ₃ .

В момент t ₁ анодный ток равен нулю и начинает нарастать в отрицательном направлении с наклоном, таким же, как и в процессе коммутации. Обратный ток восстановления, протекающий после t ₁ , обусловлен вымыванием носителей из верхнего p-слоя и нижнего n-слоя тринистора.Этот обратный ток восстановления отвечает за удаление носителей заряда из переходов J ₁ и J ₃ .

В момент t ₂ около 60% носителей выметаются из J ₁ и J ₃ , и плотность носителей начинает уменьшаться, в результате чего ток начинает затухать.

Затухание обратного тока восстановления вызывает скачок напряжения на SCR, что может привести к его повреждению. Следовательно, для защиты используется снабберная схема.

В течение интервала времени от t ₁ до t ₃ , т. е. времени обратного восстановления (t _rr ), избыточные носители в соединениях J ₁ и J ₃ сметаются. Однако вокруг перехода J ₂ все еще остаются носители заряда, которые удаляются в течение интервала времени восстановления затвора (t _gr ).

2. Время восстановления ворот (t

_gr )

Вокруг перехода (J ₂ ) находятся захваченные носители заряда.Этот переход находится во внутреннем слое тиристора, и носители не могут выйти во внешнюю цепь, и эти лишние носители заряда должны быть удалены в процессе рекомбинации.

Промежуток времени между t ₃ и t ₄ , в течение которого происходит рекомбинация дополнительных носителей заряда вокруг J ₂ , известен как время восстановления затвора (t _gr ).

Общее время выключения тиристора составляет от 3 до 100 мкс. Тиристоры классифицируются в зависимости от времени их выключения на тиристоры инверторного и конверторного класса.

Однофазный полупреобразователь

SCR инверторного типа имеет время выключения (t _q ) порядка от 3 до 50 мкс, а SCR преобразовательного класса имеет время выключения (t _q ) порядка 50–100 мкс.

На самом деле тиристоры являются частью схемы силовой электроники или силовой цепи. Время выключения (t _q ) применимо только к одному SCR, но в реальной силовой цепи время выключения (t _q ) обеспечивается временем выключения цепи (t _c ).

Время выключения цепи (t _c ) больше, чем время выключения (t _q ) для правильной коммутации, иначе мы можем столкнуться с отказом коммутации.

т. е. t _c > t _q .

ИНЖЕНЕРНЫЕ ПРИМЕЧАНИЯ ОНЛАЙН

Транзистор как усилитель | Технические примечания онлайн

КЛИМАТ И ЭНЕРГЕТИКА

Работа универсального фотоэлектрического элемента

Характеристики и режим работы SCR

— pnpnтранзистор

Здесь мы переходим к подробной статье, посвященной статическим характеристикам VI SCR . Vi характеристики SCR можно объяснить тремя режимами работы . Здесь мы подробно изучим статические характеристики теории SCR.

Введение

SCR (усилитель с кремниевым управлением) представляет собой твердотельное устройство, подобное транзистору, и имеет характеристики, аналогичные характеристикам тиратронной лампы. SCR или тиристор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из P-n-p-n структуры. SCr имеет четыре слоя и три перехода. Scr состоит из трех выводов: анода, катода и затвора. Терминал затвора обычно держится рядом с катодом, как показано на рисунке.

Согласно диаграмме, внешняя р-область называется анодом (А). Внешняя область n называется катодом ( K ), а вывод затвора также показан рядом с катодом.

Статические характеристики VI SCR

Как и диод, SCR блокирует протекание тока от катода к аноду. В отличие от диода, SCR пропускает ток от анода к катоду только тогда, когда он приводится в состояние проводимости путем подачи соответствующего напряжения на затвор. Для инженерных приложений SCR мы должны знать все статические характеристики SCR, динамические характеристики переключения SCR и характеристики затвора SCR.

Характеристики SCR

VI показаны на рисунке ниже. Необходимая принципиальная схема для получения характеристик SCR также показана на рисунке.

• Анодная и катодная клемма подключается к сети через нагрузку.
• Сигнал затвора подается между выводом затвора и выводом катода.

Vi характеристики SCR показаны на рисунке. Эти характеристики SCR можно объяснить четырьмя различными способами.

Режим работы SCR

Режим блокировки вперед (состояние ВЫКЛ.)

Режим прямой проводки (включенное состояние)

Реверсивный режим блокировки

Режим блокировки вперед

Когда анод положителен по отношению к катоду, а клемма затвора открыта, говорят, что тиристор находится в прямом смещении.Как показано на рисунке b, ток может проходить через соединение J1 и J3, но не может проходить через соединение J2, потому что оно имеет обратное смещение. В этом случае очень небольшое количество тока утечки проходит через SCR.

В случае увеличения прямого напряжения переход J2 с обратным смещением имеет лавинный пробой при напряжении, называемом напряжением пробоя. При напряжении, меньшем, чем напряжение пробоя, тиристоры обеспечивают высокий импеданс цепи, и в этом состоянии тиристоры рассматриваются как состояние разомкнутого ключа.

Режим прямого проведения

Когда анод положителен по отношению к катоду и необходимый сигнал затвора подается на тринистор при небольшом напряжении, ток проходит через тринистор. Тиристор переводится из режима прямой блокировки в режим прямой проводимости путем приложения требуемого напряжения на затворе.

В этом состоянии тиристор имеет очень маленькое полное сопротивление и ведет себя как замкнутый переключатель. Тиристор переводится в открытое состояние при подаче напряжения, превышающего напряжение пробоя.

По характеристикам видно, что в этом режиме падение напряжения на тиристоре очень мало. Падение напряжения на тиристоре в этом режиме зависит от тиристора. Это падение напряжения обусловлено омическим падением напряжения в четырех слоях тиристора.

Реверсивный режим блокировки

В этом состоянии катод положителен по отношению к аноду. В этом режиме Scr находится в обратном смещении. Соединение J1 и J3 смещено в обратном направлении, а соединение J2 смещено в прямом направлении.когда напряжение прикладывается к SCR, оно обеспечивает высокий импеданс, и через SCR проходит очень небольшой ток утечки.

При обратном напряжении пробоя на переходе J1 и J3 возникает лавина, и обратный ток быстро увеличивается. На рисунке а показан SCR с обратным смещением.

Заключение

Здесь мы увидели Vi характеристики SCR, которые в качестве эксперимента изучаются во многих университетах. Scr также имеет динамические характеристики переключения и характеристики затвора. Надеюсь, вы понимаете все, что связано с характеристиками SCR.Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные с этой статьей, оставьте комментарий ниже.

Продолжить чтение

Тиристоры (тиристоры)

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Распознавание типичных пакетов SCR:
• Опишите типичную конструкцию SCR:
• Понимание типичных диаграмм характеристик SCR:
• Ознакомьтесь с соображениями безопасности при демонстрации SCR.

Тиристорные (SCR) комплекты

Рис. 6.0.1 Типовые пакеты SCR

Тиристор — это общее название ряда высокоскоростных переключающих устройств, часто используемых для управления питанием переменного тока и переключения переменного/постоянного тока, включая симисторы и тиристоры (кремниевые управляемые выпрямители). SCR — очень распространенный тип тиристоров, и несколько примеров распространенных корпусов SCR показаны на рис. 6.0.1. Доступно множество типов, способных переключать нагрузки от нескольких ватт до десятков киловатт. Символ цепи SCR показан на рисунке 6.0.2. и предполагает, что SCR действует в основном как КРЕМНИЕВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ диод с обычными соединениями анода и катода, но с дополнительной клеммой CONTROL, называемой GATE. Отсюда и название «Кремниевый управляемый выпрямитель».

Триггерное напряжение, подаваемое на затвор, в то время как анод более положителен, чем катод, включает тринистор, позволяя току течь между анодом и катодом. Этот ток будет продолжать течь, даже если триггерное напряжение будет удалено, пока ток между анодом и катодом не упадет почти до нуля из-за внешних воздействий, таких как отключение цепи или форма волны переменного тока, проходящая через нулевое напряжение как часть его цикл.

Рис. 6.0.2 Типовая конструкция SCR

и символ цепи

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)

Тиристоры

, в отличие от обычных двухслойных выпрямителей с PN-переходом, состоят из четырех слоев кремния в структуре P-N-P-N, как видно на виде тиристора в разрезе на рис. 6.0.2. Добавление соединения затвора к этой структуре позволяет переключать выпрямитель из непроводящего состояния «прямая блокировка» в низкоомное, «прямое проводящее» состояние (см. также рис.6.0.3). Таким образом, небольшой ток, подаваемый на затвор, может включить гораздо больший ток (также при гораздо более высоком напряжении), протекающий между анодом и катодом. Как только SCR начинает работать, он ведет себя как обычный кремниевый выпрямитель; ток затвора может быть удален, и устройство останется в проводящем состоянии.

SCR приводится в действие путем подачи триггерного импульса на клемму затвора, в то время как основные клеммы анода и катода смещены в прямом направлении. Когда устройство смещено в обратном направлении, стробирующий импульс не действует.Чтобы выключить SCR, ток между анодом и катодом должен быть уменьшен ниже определенного критического значения «тока удержания» (близкого к нулю).

Обычным применением SCR является коммутация нагрузок большой мощности. Они являются переключающим элементом во многих бытовых диммерах, а также используются в качестве элементов управления в регулируемых или регулируемых источниках питания.

Рис. 6.0.3 Характеристики SCR

Характеристики SCR

На рис. 6.0.3 показана типичная кривая характеристики SCR.Видно, что в области обратного запирания он ведет себя аналогично диоду, т.е. весь ток, за исключением небольшого тока утечки, блокируется до тех пор, пока не будет достигнута область обратного пробоя, после чего изоляция из-за обедненных слоев на переходах разрушается. В большинстве случаев обратный ток, протекающий в области пробоя, разрушил бы тринистор.

Однако, когда SCR смещен в прямом направлении, в отличие от обычного диода, ток не начинает течь, когда чуть выше 0.При подаче 6 В ток не течет, за исключением небольшого тока утечки. Это называется режимом прямой блокировки, который распространяется на сравнительно высокое напряжение, называемое «напряжение прямого отключения». SCR обычно работает при напряжениях, значительно меньших, чем прямое перенапряжение отключения, поскольку любое напряжение выше, чем прямое перенапряжение отключения, приведет к неконтролируемому срабатыванию SCR; Затем SCR внезапно проявляет очень низкое прямое сопротивление, позволяя протекать большому току.Этот ток «фиксируется» и будет продолжать течь до тех пор, пока либо напряжение на аноде и катоде не уменьшится до нуля, либо прямой ток не уменьшится до очень низкого значения, меньшего, чем «Ток удержания», показанный на рис. 6.0.3. . Однако прямой разрыв из-за проводимости может произойти, если тиристор используется для управления переменным напряжением (например, сетью или сетью) и возникает внезапный скачок напряжения, особенно если он совпадает с пиковым значением переменного тока (или близок к нему). Если тиристор случайно переключится в состояние прямого отключения, это может вызвать внезапный, но кратковременный скачок максимального тока, который может оказаться катастрофическим для других компонентов в цепи. По этой причине обычно обнаруживается, что тиристоры имеют какой-либо метод подавления пиков, либо внутри конструкции тиристора, либо в виде внешних компонентов, обычно называемых «схемой снаббера».

Правильный способ инициирования включения тиристора заключается в подаче тока на затвор тиристора, когда он работает в «области прямой блокировки», затем тиристор «запускается», и его прямое сопротивление падает до очень низкое значение. Это создает «запирающий ток», который из-за низкого прямого сопротивления тиристора в этом режиме позволяет очень большим (несколько ампер) токам течь в «прямопроводящей области» практически без изменения прямого напряжения (обратите внимание что характеристическая кривая после срабатывания тиристора практически вертикальна).В этой области ток будет протекать и может изменяться, но если прямой ток упадет ниже значения «тока удержания» или напряжение между анодом и катодом уменьшится почти до 0 В, устройство вернется в свою область прямой блокировки, эффективно поворачивая выпрямитель. выключен, пока он не сработает еще раз. Таким образом, использование затвора для запуска проводимости позволяет контролировать проводимость, что позволяет использовать SCR во многих системах управления переменным и постоянным током.

Рис. 6.0.4 SCR «Модель с двумя транзисторами»

Как работает SCR

Модель с двумя транзисторами SCR

Реальную работу SCR можно описать, обратившись к рис.6.0.4 (a) и (b), на которых показаны упрощенные схемы структуры SCR с помеченными P- и N-слоями и переходами. Чтобы понять работу SCR, четыре уровня SCR теоретически можно представить как небольшую схему, состоящую из двух транзисторов (один PNP и один NPN), как показано на рис. 6.0.4 (b). Обратите внимание, что слой P2 формирует как эмиттер Tr1, так и базу Tr2, а слой N1 формирует базу Tr1 и коллектор Tr2.

Состояние «Выкл.»

Ссылаясь на рис.6.0.4(c), без подачи сигнала затвора и затвора (g) с тем же потенциалом, что и катод (k), любое напряжение (меньшее, чем прямое перенапряжение отключения), приложенное между анодом (a) и катодом (k). ), чтобы анод был положительным по отношению к катоду, не будет производить ток через тринистор. На Tr2 (транзистор NPN) подается напряжение 0 В между базой и эмиттером, поэтому он не будет проводить ток, а поскольку напряжение на его коллекторе обеспечивает питание базы для Tr1 (транзистора PNP), его переход база/эмиттер будет смещен в обратном направлении.Таким образом, оба транзистора выключены, и между анодом и катодом тиристора не будет протекать никакой ток (кроме небольшого обратного тока утечки), и он работает в области прямой блокировки.

Запуск SCR

Когда тиристор работает в области прямой блокировки (см. характеристики тиристора на рис. 6.0.3), если затвор и, следовательно, основание Tr2, см. рис. 6.0.4(c), становится положительным по отношению к катоду (также эмиттер Tr2) путем применения стробирующего импульса, так что небольшой ток, обычно от нескольких мкА до нескольких мА в зависимости от типа SCR, вводится в базу Tr2, Tr2 включается, и напряжение на его коллекторе падает. Это приведет к протеканию тока через PNP-транзистор Tr1 и быстрому росту напряжения на коллекторе Tr1 и, следовательно, на базе Tr2. Переход базы-эмиттера Tr2 станет еще более смещенным в прямом направлении, быстро включив Tr1. Это увеличивает напряжение, подаваемое на базу Tr2, и поддерживает проводимость Tr2 и Tr1, даже если первоначальный стробирующий импульс или напряжение, которые запустили процесс включения, теперь удалены. Теперь между слоями анода P1 (a) и катода N2 (k) будет протекать большой ток.

Сопротивление между анодом и катодом падает почти до нуля Ом, так что ток SCR теперь ограничивается только сопротивлением любой цепи нагрузки.Описанное действие происходит очень быстро, так как включение Tr2 с помощью Tr1 является формой положительной обратной связи, когда коллектор каждого транзистора подает большие изменения тока на базу другого.

Поскольку коллектор Tr1 подключен к базе Tr2, действие включения Tr1 виртуально соединяет базу Tr2 (вывод затвора) с высоким положительным напряжением на аноде (a). Это гарантирует, что Tr2 и, следовательно, Tr1 останутся проводящими даже при снятии стробирующего импульса. Чтобы выключить транзисторы, напряжение на аноде (a) и катоде (k) должно либо поменять полярность, как это происходит в цепи переменного тока в то время, когда положительный полупериод волны переменного тока достигает 0 В, прежде чем стать отрицательным. на вторую половину своего цикла или, в цепи постоянного тока, ток, протекающий через тринистор, отключается.В любом из этих случаев ток, протекающий через SCR, будет снижен до очень низкого уровня, ниже уровня тока удержания (показанного на рис. 6.0.3), поэтому переходы база-эмиттер больше не имеют достаточного прямого напряжения для поддержания проводимости.

Рис. 6.0.5 Питание SCR низкого напряжения

Демонстрация работы SCR

Поскольку тиристоры обычно используются для управления мощными высоковольтными нагрузками, это представляет значительный риск поражения электрическим током пользователей в любой экспериментальной или учебной среде. Схемы, описанные на следующих веб-страницах Модуля 6, предназначены для демонстрации различных методов управления, используемых с SCR, использующих низкое напряжение (12 В _RMS ) переменного тока, как показано на рис. 6.0.5, вместо того, чтобы подвергать пользователя опасностям. использования сетевого (линейного) напряжения. Обратите внимание, что схемы, показанные в этом модуле, предназначены только для демонстрации низкого напряжения, а не как рабочие схемы управления для сетевых (линейных) цепей. За реальными рабочими примерами следует обращаться к примечаниям по применению, подготовленным производителями SCR.

Участок цепи, содержащий тиристор (тиристор C106M), вместе с токоограничивающим резистором 33R и лампой 12 В 100 мА, выполнен на небольшом кусочке Veroboard (протоплата), который можно легко прикрепить к макетной плате с помощью ‘Blu Tack ‘или аналогичный временный клей, позволяющий экспериментально создавать различные схемы привода на макетной плате. SCR питается переменным током через двухполюсный переключатель и развязывающий трансформатор 230–12 В (идеально подойдет небольшой медицинский развязывающий трансформатор) с предохранителем на 250 мА во вторичной цепи, все они размещены в коробке с двойной изоляцией.

Рис. 6.0.6 Цепи питания SCR низкого напряжения

Мостовой выпрямитель находится в отдельном изолированном корпусе с проволочным резистором 1K8, подключенным к выходу, чтобы обеспечить постоянную нагрузку. Это гарантирует, что выходные сигналы 12-вольтового двухполупериодного выпрямленного выхода могут быть надежно отображены на осциллографе. Эти отдельные схемы, показанные на рис. 6.0.6, имеют простую конструкцию и представляют собой полезный набор для демонстрации и экспериментов с различными типами работы SCR или источников питания при низком напряжении.

Характеристики переключения тиристора, электротехника, силовая электроника, конспект лекций, pdf

Характеристики переключения тиристора:

• Тиристор можно отключить, если внешняя цепь вызывает отрицательное смещение анода, метод, известный как естественная или линейная коммутация. В некоторых приложениях это делается путем включения второго тиристора для разряда конденсатора на катод первого тиристора. Этот метод называется принудительной коммутацией.

• В основном мы можем классифицировать характеристики переключения тиристора как
  • Характеристики переключения включения
  • Отключить характеристики переключения

• Статические и коммутационные характеристики тиристоров всегда учитываются для экономичного и надежного проектирования преобразовательной техники.Во время процессов включения и выключения на тиристор действуют разные напряжения и разные токи через него.
• Изменения во времени напряжения на тиристоре и тока через него в процессах включения и выключения дают динамическую или коммутационную характеристику тиристора

Характеристики включения включения:

Тиристор с прямым смещением включается при приложении положительного напряжения затвора между затвором и катодом.Тиристор с прямым смещением обычно включается при подаче положительного напряжения на затвор между затвором и катодом. Однако существует время перехода из состояния пересылки выключено в состояние пересылки включено. Это время перехода, называемое временем включения тиристора, определяется как время, в течение которого он переходит из состояния прямой блокировки в конечное открытое состояние. Общее время включения можно разделить на три интервала; (i) время задержки td, (ii) время нарастания tr и (iii) время распространения t _p .

Характеристики переключения выключения:

Выключение тиристора означает, что он перешел из включенного состояния в выключенное и способен блокировать прямое напряжение.Этот динамический процесс перехода тринистора из состояния проводимости в состояние прямой блокировки называется процессом коммутации или процессом выключения. Время выключения t _q тиристора определяется как время между мгновенным анодным током, равным нулю, и SCR восстанавливает возможность прямой блокировки. За время t _q все лишние носители из четырех слоев тиристора должны быть удалены. Это удаление избыточных носителей состоит в выметании дырок из внешнего p-слоя и электронов из внешнего n-слоя.Носители вокруг соединения J ₂ могут быть удалены только путем рекомбинации. Время выключения разделено на два интервала; обратное время восстановления t _rr и время восстановления затвора t _gr ;

т. е. t _q = t _rr t _gr .

%PDF-1.3
%
69 0 объект
>
эндообъект
внешняя ссылка
69 38
0000000016 00000 н
0000001125 00000 н
0000001218 00000 н
0000001901 00000 н
0000002124 00000 н
0000002277 00000 н
0000002506 00000 н
0000003053 00000 н
0000003269 00000 н
0000003803 00000 н
0000004432 00000 н
0000004655 00000 н
0000004677 00000 н
0000006192 00000 н
0000006214 00000 н
0000007600 00000 н
0000007622 00000 н
0000008838 00000 н
0000008860 00000 н
0000009059 00000 н
0000009623 00000 н
0000010142 00000 н
0000011352 00000 н
0000011374 00000 н
0000012576 00000 н
0000012598 00000 н
0000013939 00000 н
0000013960 00000 н
0000015036 00000 н
0000015057 00000 н
0000028656 00000 н
0000033187 00000 н
0000050832 00000 н
0000050985 00000 н
0000051139 00000 н
0000073041 00000 н
0000001370 00000 н
0000001879 00000 н
трейлер
]
>>
startxref
0
%%EOF

70 0 объект
>
эндообъект
71 0 объект
`Dz-#_m_}g)
/U (/]ׅ0YUyeq: *6\\LM)
/П-12
/В 1
/Длина 40
>>
эндообъект
105 0 объект
>
ручей
~頳دL,
]р
97wъM>+(s;8*
]Mڞ^YX,^I 0DlsGڶ»#$3qJrZS:ZOvUڡp
э\дкк
💩#Hȕ->Y鴆S]@4eϊ0KzV)@-thM3c1ZUӤGh3@f~
iɖj`C$[Z’L~UE;di N A
WUb[jhBOu1>YRɧ44WdLu[aj !Kz%vsIOL}`W(dH~4xcpeakkJacticN>
эндообъект
73 0 объект
>
/ExtGState >
>>
эндообъект
74 0 объект
>
эндообъект
75 0 объект
>
эндообъект
76 0 объект
>
эндообъект
77 0 объект
>
эндообъект
78 0 объект
>
эндообъект
79 0 объект
>
эндообъект
80 0 объект
1437
эндообъект
81 0 объект
>
ручей
4Di5ZohG炥~7utPپ*\`K_ABqb$T#awaH^M?r»og_fO{‘(
UIB&ȴ
[g4}7@岍
*v8eGRVSw?=Ʋgda,gN(мRS$i:fV9Qsa\#)ix] R4Na 8@ՉIZKrx#r. Kg\CΠŅ$;N!ys O8/ӵlLOCtJ/Fy537PGǓJ?\G~ͨjHveЮJ|M숊 7㯤XLՇ$(;Zoc5ӨX~eG-

Основы тиристора — Inst Tools

Тиристор представляет собой трехвыводное устройство с четырьмя слоями чередующихся материалов типа P и N (три перехода P-N). Три терминала — это анод, катод и затвор.

• Тиристор упоминается как управляемый кремнием выпрямитель (SCR), поскольку он состоит из кремния и работает как управляемый выпрямитель.
• Тиристор по своей природе является медленным переключающим устройством по сравнению с BJT или MOSFET из-за длительного времени жизни носителей, используемого для низких потерь в открытом состоянии, и из-за большого количества накопленного заряда.
• Поэтому обычно используется при более низких частотах переключения.
• Имеет большие токи обратного восстановления.

Типы тиристоров:

Однонаправленный тиристор:

• Тиристоры, проводящие только в прямом направлении, известны как однонаправленные тиристоры
• Пример: SCR-выпрямитель с кремниевым управлением
  LASCR-светоактивируемый кремниевый выпрямитель

Двунаправленный тиристор:

• Тиристоры, которые могут работать как в прямом, так и в обратном направлении, известны как двунаправленные тиристоры
• Пример: TRIAC — переключатель переменного тока TRIode

Пусковые устройства:

• Устройства, генерирующие управляющий сигнал для переключения устройства из непроводящего состояния в проводящее, называются триггерными устройствами.
• Пример: диодный переключатель переменного тока-DIAC,
  UJT — однопереходной транзистор
  SUS — кремниевый односторонний переключатель
  SBS — кремниевый двусторонний переключатель

Обозначение:

Символ тиристора содержит традиционный символ диода с выводом затвора.

Структура:

Тиристор имеет уникальную четырехслойную конструкцию из чередующихся областей P-типа и N-типа. Он указан ниже:

.

SCR выглядит как два PNP-транзистора, соединенных встречно-параллельно.

Это можно понять по приведенному выше рисунку.

Работа и характеристика VI тиристора:

Работа SCR объясняется с помощью четырех режимов.

1. Режим блокировки вперед
2. Режим прямой проводки
3. Обратный режим блокировки
4. Режим обратной проводимости

  Режим блокировки вперед [V _AK  = +ve & V _G = 0]

• Когда к аноду приложено положительное напряжение по отношению к катоду, переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении, а переход J2 смещен в обратном направлении.
• SCR находится в состоянии блокировки пересылки. В это время сигнал Gate не применяется.
• В переходе J2 образовался обедненный слой, и ток от анода к катоду не течет.
• Как показано в характеристике VI, через устройство протекает небольшой ток, называемый прямым током утечки .

Режим прямого проведения [V _AK = +ve & V _G  = +ve]

• Когда небольшое количество положительного напряжения приложено к клемме затвора, в то время как положительное напряжение приложено к аноду по отношению к катоду, переход J3 смещается в прямом направлении.
• Таким образом, SCR действует как замкнутый переключатель и проводит большой прямой ток при небольшом падении напряжения.

• При подаче стробирующего сигнала SCR перешел из состояния прямой блокировки в состояние прямой проводки. Он называется с защелкой .
• Без управляющего сигнала SCR перешел из прямого блокирующего состояния в прямое проводящее состояние при прямом напряжении пробоя (V _fbd ) .
• Когда значение сигнала затвора увеличивается, фиксация происходит для низких напряжений V _ak , как показано на рисунке.
• При наличии прямого тока (т.е. после включения тиристора подходящим напряжением на затворе) он не выключится даже после снятия напряжения на затворе. Тиристор отключится только тогда, когда прямой ток упадет ниже тока удержания.
• Ток удержания определяется как минимальный ток, необходимый для удержания SCR в состоянии прямой проводимости.

Обратный режим блокировки [V _AK = -ve]

• Когда к аноду приложено отрицательное напряжение по отношению к катоду, переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещен в прямом направлении.
• SCR находится в состоянии обратной блокировки. т. е. он действует как открытый переключатель.
• Как показано на рисунке, через устройство протекает небольшой обратный ток утечки.

Режим обратной проводимости:

• При дальнейшем увеличении обратного напряжения при обратном напряжении пробоя (V _BR ) происходит лавинный пробой на стыке J1 и J3.
• SCR действует как замкнутый переключатель в обратном направлении
• Большой ток дает большие потери в SCR, рассеиваясь в виде тепла, тем самым повреждая SCR.

Характеристики переключения SCR объясняют потери при включении и выключении устройства, что является очень важным фактором, который следует учитывать при выборе устройства.

Процесс включения тиристора называется срабатыванием. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о различных методах запуска…
Процесс выключения SCR называется коммутацией. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о методах отключения SCR…
SCR должен работать в пределах указанных номинальных значений. Щелкните здесь, чтобы узнать больше о различных средствах защиты SCR…

Параметры тиристоров:

Ток фиксации (I _L ):

Это минимальный анодный ток, необходимый для переключения (фиксации) SCR из состояния OFF в состояние ON.

Ток удержания (I _H ):

Минимальный анодный ток, необходимый для удержания тиристора во включенном состоянии.

(ИЛИ)

Это минимальный ток, ниже которого устройство переходит из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ.

Пиковое обратное напряжение:

Это максимальное напряжение, которое может быть приложено к тринистору в условиях обратного смещения.

Пиковое обратное напряжение:

Это максимальное напряжение, которое устройство может безопасно выдержать в выключенном состоянии.

Состояние ON Напряжение:

Напряжение, которое появляется на устройстве во включенном состоянии, называется напряжением во включенном состоянии.

Скорость нарастания напряжения dv/dt:

Скорость, с которой напряжение на устройстве повышается без срабатывания устройства, называется скоростью нарастания напряжения.

Текущий рейтинг:

Допустимая токовая нагрузка устройства называется его номинальным током.

Достоинства SCR:

• Доступны тиристоры с высоким номинальным напряжением и током.
• По состоянию уменьшаются потери в СКР.
• Требуется очень небольшой привод затвора, так как SCR является регенеративным устройством.

Недостатки SCR:

• Шлюз не имеет управления после включения SCR.
• Для отключения SCR необходимы внешние цепи.
• Очень низкие рабочие частоты.

Для защиты dv/dt необходимы демпфирующие цепи

• .

Применение SCR:

• SCR используются для управляемых выпрямителей.
• Регуляторы переменного тока, освещение и отопление.
• Двигатель постоянного тока приводит в действие большие источники питания и электронные автоматические выключатели

.