Тиристор: типы, характеристики, область применения

Подписаться

Тиристор – это полупроводниковый прибор, который изготавливается на основе монокристаллического полупроводника, имеющего три (и более) p-n-перехода. Тиристор характеризуются наличием двух устойчивых состояний:


  • закрытый – полупроводник находится в состоянии низкой проводимости, ток практически не протекает

  • открытый – полупроводник в состоянии высокой проводимости, ток проходит через элемент фактически без ограничений

По сути, тиристор – электрический силовой управляемый ключ (правда, его управляемость не является стопроцентной). В технической литературе встречается и другое название – однооперационный тиристор, ведь управляющий сигнал может только перевести тиристор в открытое (рабочее) состояние. Чтобы выключить тиристор, необходимо принять особые меры, направленные на уменьшение прямого тока до минимума (нуля).

Структура тиристора – это последовательность четырех, соединенных последовательно, слоев p и, соответственно, n типа, образующих структуру р-n-р-n:


  • крайняя область, на которую поступает положительный (+) полюс питания – анод, р – типа

  • другая крайняя область, к которой прикладывается отрицательное (-) напряжение, катод, – >n типа

  • управляющий электрод (конструкционно может быть предусмотрено размещение до 2 электродов) присоединяется к внутренним слоям.

Вот так схематично выглядит принцип действия тиристора:

Для начала рассмотрим случай, при котором напряжение на управляющем электроде отсутствует, тиристор подключен по схеме динистора – напряжение прикладывается только к аноду (соответственно, +) и катоду (-).

В таком состоянии тиристор можно представить в следующем виде:

В этом состоянии коллекторный p-n-переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют малое сопротивление, поэтому фактически все напряжение, поступающее от источника питания, прикладывается к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через тиристор ток имеет незначительное значение.

На представленной вольт-амперной характеристике (ВАХ) это состояние соответствует участку 1.

При росте напряжения, поступающего от источника питания, до определенного момента ток тиристора растет незначительно. Но при приближении к некоторому критическому значению (обозначенного на графике Uвкл, общепринятое название – напряжение включения), в динисторе возникают условия, при котором в районе коллекторного перехода начинается увеличение носителей заряда, которое принимает лавинный характер. В результате в коллекторном переходе наступает обратимый электрический пробой (на графике – точка 2). В p-области коллекторного перехода возникает избыточная концентрация положительных зарядов (дырок), в n-области – концентрация электронов. Рост концентрации этих носителей приводит к снижению потенциального барьера на всех трех переходах динистора, через эмиттерные переходы резво увеличивается инжекция носителей. Процесс окончательно принимает лавинообразный характер, который приводит к переключению в открытое состояние коллекторного перехода. Одновременно происходит рост тока и падение сопротивления по всем областям прибора, как следствие – рост тока, проходящего через прибор, сопровождается падением напряжения между катодом и анодом (на графике – отрезок 3). На этом отрезке динистор имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. На резисторе растет напряжение и динистор переключается.

После того, как коллекторный переход оказывается открытым, ВАХ динистора принимает вид, полностью повторяющий ВАХ диода на прямой ветви (на графике – участок 4). После того, как динистор переключился, напряжение падает до 1 В. В дальнейшем увеличение значения напряжения или снижение сопротивления (резистор R) приведет к росту выходного тока – ситуация точно повторяет процессы, происходящие с диодом при его прямом включении. Если же напряжение уменьшить, то высокое сопротивление, характерное для коллекторного перехода, практически мгновенно (десятки микросекунд) восстанавливается, динистор закрывается, ток падает.

Напряжение включения (Uвкл), при котором происходит лавиноподобное нарастание тока, можно регулировать, внося в любой из слоев, которые прилегают к коллекторному переходу, неосновные носители заряда. Для этого используется дополнительный электрод – управляющий, запитываемый из независимого источника, который подает управляющее напряжение – Uупр. На рисунке четко просматривается зависимость – при росте Uупр напряжение включения уменьшается.

Параметры тиристоров

Для численного описания характеристик тиристора используются следующие параметры:


  • Uвкл (напряжение включения) – напряжение, при котором происходит переход тиристора в открытое состояние

  • Uo6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение – значение напряжения, при котором происходит электрический пробой. Для большинства тиристоров справедливо равенство Uo6p.max. = Uвкл

  • максимально допустимое значение тока

  • среднее значение тока за период

  • Unp - значение прямого падения напряжения при открытом тиристоре, колеблется в пределах 0,5 - 1В

  • обратный максимальный ток – ток, появляющийся при приложении обратного напряжения, за счет движения неосновных носителей

  • ток удержания – значение анодного тока, при котором происходит закрытие тиристора

  • максимальная мощность

  • время отключения – время, необходимое для закрывания тиристора

  • предельная скорость, с которой происходит нарастание анодного тока

Тиристоры: основные типы

Сегодня разработано большое количество тиристоров, отличающихся процессами управления, быстродействием, величиной и направлением током. При этом можно выделить наиболее востребованные типы тиристоров:


  • тиристор-диод – эквивалент тиристора, имеющего встречно-параллельное включение с диодом

  • динистор (диодный тиристор) – подробно рассмотрен выше, имеет всего два электрода, управляющий электрод отсутствует

  • запираемый тиристор

  • симистор (симметричный тиристор) – эквивалент двух встречно-параллельно подключенных тиристоров

  • инвесторный тиристор – отличается высоким быстродействием, время включения составляет от 5 до 50 мкс

  • фоторизистор – роль управляющего электрода выполняет фотоэлемент

Запираемые тиристоры

Запираемый тиристор имеет четырехслойную классическую >p->n->p->n структуру, но при этом имеют целый ряд конструктивных особенностей, позволяющих им получить принципиальное отличие от обычных тиристоров – полную управляемость. Благодаря воздействию тока от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут как переходить в открытое состояние из закрытого, так и в обратном направлении – из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод подается напряжение, обратное тому, которое вызвало открытие тиристора. Для выключения тиристора по цепи управляющего электрода подается мощный (рекомендуемое соотношение 1:5 по отношению к текущему значению прямого тока, проходящего через открытый тиристор), но короткий по длительности (от 10 до 100 мкс) импульс отрицательного тока. При использовании запираемых тиристоров стоит помнить, что их предельные значения (по току и напряжению) с среднем до 30% меньше, чем у обычных.

На практике запираемые тиристоры активно используются в роли электронных ключей в преобразовательной технике.

Симисторы

В отличие от четырехслойного тиристора, симистор (другое название – триак, происходящее от английской TRIAC, аббревиатуры от triode for alternating current) имеет пятислойную структуру.

Схема симистора

Благодаря такой структуре он имеет возможность пропускать ток в двух направлениях – как от катода к аноду, так и в противоположном направлении – от анода к катоду, а на управляющий электрод может подаваться управляющее напряжение разной полярности – как положительное, так и отрицательное. Благодаря этому вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид.

Как реле или электронный выключатель симистор имеет ряд преимуществ, если брать электромеханические аналоги: он значительно дешевле, полностью отсутствует механическая часть, искрение и подгорание контактов, большой срок службы. К недостаткам следует отнести необходимость обеспечить отвод тепла (симисторы чувствительны к нагреванию, поэтому требуют монтажа на радиаторе), не могут работать на высоких частотах – имеют значительную длительность переходных процессов. Кроме того, при монтаже симистора следует обязательно обеспечить его защиту от электрических шумов, наводок и помех, которые могут спровоцировать ложное срабатывание.

О том, что такое симистор и как он работает, детально объясняет следующее видео:

Особенности монтажа симисторов:

- при малых нагрузках или когда токи нагрузки представляют собой короткие импульсы (до 1 секунды), монтаж симисторов можно проводить без теплоотводящего радиатора. В прочих случаях – его наличие обязательно

- к теплоотводу триак может фиксироваться креплением зажимом (наиболее предпочтительный способ), креплением винтом или клепкой (не рекомендуется, может вызвать повреждение кристалла)

- для уменьшения вероятности несанкционированного срабатывания из-за шумовых наводок, длина проводника, подходящего к затвору, должна быть минимальна. Для подключения желательно использовать экранированный кабель или витую пару.

Фототиристоры

Фототиристор (другое название - оптотиристор) – специальный тиристор, особенностью которого является наличие в корпусе (при дискретном исполнении) фотоэлемента, выполняющего роль управляющего электрода.

При облучении световым потоком определенной мощности фотоэлемент переводит тиристор в открытое положение.

Данное видео наглядно знакомит с принципом работы фототиристора:

Применение тиристоров

В целом применение тиристоров можно разделить на 4 группы:


  • силовые ключи – переключатели переменного напряжения. Одним из определяющих моментов, влияющих на востребованность подобных схем, выступает низкая мощность, которая рассеивается тиристором в схемах переключения. В закрытом состоянии мощность практически не рассеивается из-за того, что ток практически равен нулю. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность незначительна благодаря небольшим значениям напряжения

  • пороговые устройства – в них задействовано основное свойство тиристора – открываться (пропускать ток) при достижении напряжением определенного значения. Эта группа схем особенно активно используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

  • подключение постоянного тока – для прерывания, включения/выключения используются запирающие тиристоры. Правда, при этом схемы требуют определенной доработки – тиристоры в целом плохо работают в цепях с постоянным током. Но высокая надежность, способность работать с большими по значению токами и напряжениями полностью оправдывают некоторые неудобства

  • экспериментальные устройства – в них используется свойство тиристора иметь отрицательное сопротивление, пребывая в переходном режиме

Как проверить работоспособность тиристора или симистора:

ВложениеРазмер
tiristor-01.JPG7.01 КБ
tiristor-02.JPG8.89 КБ
tiristor-10.JPG11.98 КБ
+
1
-
3 Июня 2014, 12:38