fon1

Тиристоры:
устройство, характеристики и способы управления

Семейство полупроводниковых приборов с четырехслойной и более p-n структурой называются тиристорами.
Тиристоры по принципу действия являются ключами с односторонней проводимостью которые включаются при прохождении через них ток определенной величины (динисторы), либо при подаче сигнала на управляющий электрод (тринисторы).
Особенностью тринистора является то, что управляющий сигнал нужно подавать только на время переключения, а для сохранения открытого состояния тринистора внешнего удерживающего сигнала не требуется.
Имея такое свойство "запоминать" заданное состояние, а также переключать ток большой мощности, тиристоры стали использовать вместо мощных транзисторов и реле в схемах импульсных генераторов, регуляторов напряжения, переключателях, реле времени и т.д.

Динистор

din z2 tir3

Динистор (еще его называют диодным тиристором) представляет собой кремневый монокристалл с четырьмя чередующими p и n областями, образующие три p-n перехода (J1, J2, J3).
У динистора только две крайние области (p и n) имеют выводы. Вывод подключенный из р- области на положительный полюс источника питания GB1 называется анодом (А), а вывод из n- области включенный к отрицательному полюсу - катодом (К).
В отличии от диода, при подаче на выводы динистора малого прямого напряжения (плюс - на анод и минус - на катод), он не будет пропускать прямой ток. Причина в том, что у диода один p-n переход, а у динистора их три. Поэтому, чтобы основным носителям заряда (электронам и дыркам) преодолеть три потенциальных барьера p-n переходов, нужно создать большее электрическое поле чем для открытия диода. Только в тот момент, когда энергия электронов и дырок станет достаточной для преодоления потенциальных барьеров, произойдет лавинообразное увеличение тока через динистор и он откроется.

На рисунке приведена вольт-амперная характеристика (ВОХ) динистора, где по горизонтальной оси отложено напряжение между его анодом и катодом (Uак), а по вертикальной - прямой (+I) и обратный (-I) токи.

Характеристику можно разбить на четыре участка.
tir gr2 Участок 1 показывает, что при повышении напряжения Uак через прибор протекает незначительный ток до момента достижения напряжения Uлав, т.е. когда происходит лавинообразный процесс нарастания тока и динистор отпирается.
В этот момент переключения напряжение на динисторе мгновенно уменьшается (участок 2), а ток скачком увеличивается (участок 3).
Величина прямого тока через динистор, при некотором напряжении источника питания и сопротивления нагрузки , будет определяться только сопротивлением внешней цепи.
Динистор будет открыт до тех пор, пока прямой ток будет больше некоторого минимального тока - тока удержания (Iуд).
При подаче на анод и катод динистора обратного напряжения -Uак. обратная ветвь ВОХ (участок 4) будет такой же как у диода.
Когда напряжение достигнет значение пробивного напряжения Uпр. наступит пробой J1 перехода и динистор можно выбросить.
Поэтому нельзя, даже на короткое время, подавать на прибор обратное напряжение близкое к Uпр. Напряжение пробоя определенного динистора можно узнать в его паспортных данных или в справочнике.

Тринистор

tri z2 tri

Тринистор (триодный тиристор), как и динистор, представляет собой монокристалл с четырехслойной p-n структурой, только вдобавок к аноду и катоду добавлен вывод управляющего электрода, который присоединен к внутренней области типа р.

Рассмотрим как будет меняться вольт-амперная характеристика тринистора в зависимости от величины тока управляющего электрода .
Если на управляющий электрод не подавать напряжение и ток Iу =0, идентична характеристики динистора и он будем работать также как диодный тиристор, т.е. включается только при достижении напряжении Uлав.
tri gr Как только на управляющий электрод подадим положительное напряжение (относительно катода) и через него пройдет ток Iу1>0, тогда напряжение, при котором тринистор откроется, понизится.
При дальнейшем увеличении тока управления вольт-амперная характеристика спрямляется до тех пор, пока, при определенном токе Iу2, не станет подобна прямой ветви характеристики диода. Этот ток называется током спрямления.
Управляющий электрод играет роль "поджигающего" устройства (как стартер в люминесцентной лампе) и после отпирания тринистора он не может уже управлять им.
Чтобы тринистор выключить ток через него нужно уменьшить до значения, меньшего, чем ток удержания Iуд.

Это можно достигнуть несколькими методами.
tir cx2 Эти методы показаны на рисунке в виде разных вариантов выключения и включения кнопок.
Первый способ отключения - замыкание анода и катода для снижения Uак до нуля (Кн.1). Ток, соответственно, тоже падает меньше тока удержания тринистора и он отключается.
Для второго способа включаем последовательно с нагрузкой дополнительный резистор Rдоп, сопротивление которого выбирается так, чтобы выполнялось условие:

Iуд>Iпр=Uи/Rн+Rдоп

т.е. прямой ток с дополнительным резистором должен быть меньше тока удержания. Когда кнопка Кн.2 замкнута она шунтирует Rдоп и тринистор открыт. При разомкнутой кнопке к нагрузке подключается дополнительное сопротивление - ток уменьшается ниже тока удержания и прибор отключается.
Третий способ самый простой - выключаем питание кнопкой Кн.3. Просто и надежно.
Есть еще один способ отключения - подключение на анод отрицательного напряжения на время, необходимое для отключения тринистора. Это происходит в тиристорных схемах при питании их переменным током.

Управление тиристорами мощностью переменного тока

Одним из способом управления тринистором (диодным тиристором, или просто - тиристором) мощностью переменного тока является подача на управляющий электрод сигнал такой же частоты как и коммутируемый переменный ток. Но при этом нужно выполнять следующие условия:
во-первых, отпирающие сигналы должны подаваться только тогда, когда подаваемое напряжение на аноде будет положительное относительно катода;
во-вторых, напряжение управления тоже всегда должно быть положительным.

tri cx2

На рис.а показана простейшая схема получения управляющего сигнала на тиристоре при помощи переменного резистора. Напряжение анодного питания, проходя через цепочку резисторов R1 и R2, выпрямляется диодом VD1 и подается на управляющий электрод.
Резистор R1 понижает анодное напряжение до определенного значения для открытия тиристора VS1, а потенциометр R2 служит для установки нужного тока для открытия тиристора (Iу.от). Когда на аноде будет положительная полуволна переменного напряжения - тогда и на управляющем электроде тоже будет положительное напряжение относительно катода.

tir gr12

Рассмотрим на рис.b как управляется тиристор переменным током.
При подаче на управляющий электрод синусоидального сигнала через некоторое время значение его достигнет тока открытия тиристора (Iот.) и через него потечет ток нагрузки. Величина задержки импульса запуска называется углом запуска (φ).
Переменный синусоидальный ток подходя к нулю становится меньше тока удержания (Iуд.), а затем вообще меняет полярность. Тиристор в этот момент отключается до следующего изменения полярности питающего напряжения.
Таким образом видно, что путем изменения величины угла запуска φ во время положительного полупериода напряжения, ток через тиристор и нагрузку будет протекать в течении уже какой-то определенной части полупериода. Если φ мал, то тиристор откроется в начале полупериода, при бОльших задержках - в любой точке полупериода. В реальных устройствах значение угла запуска регулируется от 5 до 170 градусов, поэтому в только таком интервале можно изменять средний ток в нагрузке тиристора.
Такой способ управления током тиристора называется фазовым регулированием (или фазовым управлением).

tir gr5

Так-же можно регулировать часть положительного полупериода путем изменения сдвига фазы синусоидального сигнала на управляющем электроде относительно фазы напряжения на аноде тиристора (рис.C).
Синусоидальный сигнал с фазовым сдвигом на управляющем электроде дойдя до Iот запускает тиристор и дальше происходит процесс такой-же как при запуске без фазового сдвига. Разница между запуском без фазового сдвига и с сдвигом в том, что в первом случае величина угла запуска φ регулируется величиной напряжения сигнала на управлении, а во втором случае - регулируется только сдвигом фаз.
Но все эти амплитудно-фазoвые способы управления обладают невысокой стабильностью момента включения тиристора, т.к. минимальный ток управления Iу.от. сильно зависит от колебания температуры, да и тиристоры с одинаковым номиналом имеют разброс параметра минимального тока открытия Iу.от.

tir gr10

Более лучшую стабильность имеет фазоимпульсный способ запуска, при котором тиристор включается импульсами с постоянной амплитудой и током выше тока открытия Iу.от, с задержкой относительно начала положительного полупериода на аноде (рис.d).
На рисунке показаны импульсы управления y1 и y2 с малой длительностью (до нескольких микросекунд), которые синхронизированы с положительными полупериодами подающего напряжения на анод. Угол φз - угол запуска, а φп - угол проводимости.

Для создания управляющих импульсов применяют генераторы с разными комбинациями элементов для формирования импульсов и регулировки их длительности.
Управление тиристорами мощностью переменного тока применяют как в промышленности так и в радиолюбительской практике. Это: регуляторы мощности для паяльника, регуляторы скорости вращения двигателя, цветомузыкальные приставки и т.д и т.п.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet