Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик

Для чего нужен тиристор, его устройство и принцип работы

Тиристором называется полупроводниковый прибор, имеющий два состояния:

• открытое (пропускает ток в одном направлении);
• закрытое (не пропускает ток).

Состоит этот полупроводниковый прибор из 4 слоев (областей) полупроводника (в большинстве случаев – кремния) с различной проводимостью и имеет структуру p-n-p-n.

Такой тиристор называется динистором (диодный тиристор). Подобно диоду он имеет два вывода и отпирается напряжением определенного уровня, приложенным в прямом направлении к аноду и катоду.

Более распространен триодный тиристор – тринистор. Он имеет ту же структуру, но с дополнительным выводом – управляющим электродом (УЭ). Все операции с тринистором производятся посредством УЭ.

Также существуют тиристоры с двумя управляющими электродами, но они получили меньшее распространение.

Лекция 7.ТИРИСТОРЫ

Тиристор – это как минимум четырехслойная полупроводниковая структура, состоящая из полупроводников n-типа и р-типа. Вывод от внешнего проводника n-типа называют катодом (К), вывод от внешнего проводника р-типа – анодом (А), вывод от внутреннего проводника р-типа – управляющим электродом (УЭ). Структура полупроводникового тиристора и его условное графическое обозначение показаны на рис.1.

Классификация тиристоров:

— по управлению

: неуправляемые, управляемые;

— по запиранию

: незапираемые, запираемые.

— по типу (области применения)

: диодные (динисторы), низкочастотные, лавинные, высокочастотные, быстродействующие, симметричные, оптронные, силовые модули.

Маркировка тиристоров:

— разработанных после 1964 г.:

состоит из четырех элементов: первый – буква или цифра, обозначающая материал (Г или 1 – германий, К или 2 – кремний); второй – буква, определяющее управляемость (Н – неуправляемые, У — управляемые; третий – группу мощности, четвертый — разновидность данного тиристора.

Маркировка тиристоров:

— разработанных после 1979 г.:

состоит из пяти элементов: первый – буква, обозначающая тип прибора (Д – диод, Т – тиристор); второй – буква, определяющее область применения (С – симистор, Ч – высокочастотный,

Б – быстродействующий, О – оптронный, Л – лавинный, М – силовой модуль), третий – конструктивный типоразмер из трех цифр (первая цифра – порядковый номер модификации, вторая цифра – конструктивный размер от 0 до 9, третья цифра – конструктивное исполнение: 0 – бескорпусное, 1 – штыревое с гибким выводом, 2 – штыревое с жестким выводом, 3 – таблеточное), четвертый – номинальный ток, пятый – класс напряжения.

Неуправляемый тиристор (динистор) представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру, показанную на рис.1.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) динистора показана на рис.2. ВАХ состоит их двух ветвей: прямая ветвь расположена в первом квадранте, обратная ветвь – в третьем квадранте.

На прямой ветви ВАХ можно выделить три характерных участка:

· Участок 0А: 0 ≤ U ≤ Uмакс , I~0, динистор закрыт.

· Участок АВ: U > Uмакс , 0 < I < Iуд, динистор начинает открываться.

· Участок ВС: : U0 ≤ U ≤ Uмакс , I > Iуд, динистор открыт.

На обратной ветви ВАХ можно выделить два участка:

· Участок 1: Uпр < U < 0, I~0, динистор закрыт.

· Участок 2: U < Uпр , I < 0, ток динистора резко увеличивается, что чревато выходом полупроводниковой структуры из строя.

Динисторы используются в качестве релейных элементов в схемах контроля и защиты, приемников излучения в оптоэлектронных парах, в устройствах автоматики.

Марки некоторых маломощных динисторов указаны в табл.1.

Основные данные динисторов. Таблица 1.

Незапираемый тиристор (однооперационный тиристор, тринистор) представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру, показанную на рис.3.
Под действием внешнего напряжения полупроводниковый тиристор может находиться в двух состояниях: открытом (проводящем), когда напряжение приложено в прямом направлении (плюс на аноде, минус на катоде), а на управляющий электрод подано напряжение управления (плюс на УЭ, минус на катоде); и закрытом (непроводящем), когда напряжение приложено в обратном направлении (плюс на катоде, минус на аноде). Вольтамперная характеристика (ВАХ) тиристора показана на рис.4. В настоящее время в качестве основного материала для тиристора выступает кремний. ВАХ имеет прямую ветвь (тиристор находится в проводящем состоянии, где его сопротивление составляет порядка 1,0…1,5 Ом) и обратную ветвь (тиристор находится в непроводящем состоянии, где его сопротивление составляет сотни кОм).

Условия нахождения тиристора в проводящем состоянии:

U0 ≤ U ≤ Uмакс и I > Iуд.

Условия нахождения тиристора в запертом состоянии:

I < Iуд или Uпр < U < 0.

Тиристоры, также как выпрямительные диоды, выбираются по величине среднего прямого тока Iср и допустимому обратному напряжению Uобр = (0,6…0,7)Uпр .

Марки некоторых тиристоров указаны в табл.2.

Основные данные однооперационных тиристоров. Таблица 2.

Пример обозначения тиристора: Т132-50-7 (50 – средний ток в амперах, 7 – максимальное напряжение в сотнях вольт).

Симметричный тиристор (симистор) представляет собой двойную четырехслойную полупроводниковую структуру, показанную на рис.5.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) симистора показана на рис.6. ВАХ имеет одинаковые формы прямой и обратной ветвей.

Марки некоторых симисторов указаны в табл.3.

Основные данные симисторов. Таблица 3.

Оптический тиристор (оптотиристор) представляет собой полупроводниковую структуру, показанную на рис.7 и сочетающую в одном корпусе светодиод и управляемый световым потоком динистор.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) оптотиристора аналогична ВАХ однооперационного тиристора (рис.4).

Марки некоторых оптотиристоров указаны в табл.4.

Основные данные оптотиристоров. Таблица 4.

Специальные тиристоры (быстродействующие, лавинные, тиристор-диоды) представляют собой группу силовых полупроводниковых приборов с улучшенными характеристиками (см. табл.5).

Быстродействующие тиристоры (ТБ)

имеют время включения не более 4 мкс и время выключения не более 63 мкс.

Лавинные тиристоры (ТЛ)

обладают повышенной устойчивостью к резкому нарастанию напряжения и тока через тиристор.

Тиристор-диоды (ТД)

допускают работу в обратном направлении в качестве диода.

Основные данные специальных тиристоров. Таблица 5.

Вольт-амперная характеристика

Принцип действия тиристора наглядно демонстрирует его ВАХ. Она, как и характеристика обычного диода, расположена в I и III квадрантах и состоит из положительной и отрицательной ветвей. Отрицательная ветвь также подобна диодной и содержит участок, при котором прибор заперт — от нуля до Uпробоя. При достижении порогового напряжения происходит лавинный пробой.

Положительная ветвь требует внимательного рассмотрения. Если приложить к тиристору прямое напряжение и начать его увеличивать, то ток будет расти медленно – сопротивление закрытого полупроводникового прибора высоко. Это красный участок графика. При достижении определенного уровня тиристор скачкообразно открывается, его сопротивление уменьшается, падение напряжения также уменьшается, ток растет – синий участок. Этот участок характеризуются отрицательным сопротивлением, но прибор ведет себя здесь неустойчиво, с выраженной тенденцией перехода в открытое состояние.

Далее тиристор выходит в режим обычного диода – зеленая ветвь графика. Так работает диодный тиристор, а способность открываться при достижении определенного уровня называется динисторным эффектом.

Виды тиристоров, их отличия и схемы подключения

На основе двух рассмотренных типов производятся ещё несколько разновидностей тиристоров. Каждый из них имеет свою сферу использования.

Динисторы

Динистор включается в схему подобно обычному диоду последовательно с нагрузкой. Питание может быть постоянным или переменным.

В цепи переменного напряжения также работают симметричные динисторы (двунаправленные динисторы, диаки), представляющие собой два обычных прибора, включенных встречно. Они открываются от любой полуволны синусоидального напряжения. Вольт-амперная характеристика диака симметрична – обратная ветвь также расположена в III квадранте и зеркально повторяет прямую.

Тринисторы

Самый распространенный тип в данной категории полупроводниковых приборов. В профессиональной среде триодные тиристоры называют просто тиристорами, хотя принципиально это неверно. Включается в схему тринистор также подобно обычному диоду (в цепь постоянного или переменного напряжения). Отпирание происходит при подаче на УЭ положительного напряжения (совпадающего по знаку с напряжением анода при прямом включении). У двухоперационных приборов запирание осуществляется подачей на УЭ тока противоположного направления.

Симисторы

Наряду с симметричными динисторами, существуют и симметричные тринисторы (симисторы, триаки). Они представляют собой два тринистора с общим управлением, включенные встречно-параллельно и размещенные в одном корпусе. При необходимости триак можно заменить двумя отдельными приборами, подключив их по соответствующей схеме.

ВАХ симистора также симметрична относительно нуля.

Оптотиристоры

Существуют приборы, схожие по строению и принципу действия с обычными тиристорами, но отпирание которых происходит посредством света, падающего на открытую тиристорную структуру. Если в одном корпусе объединить такой ключ и светодиод, управляемый внешним источником сигнала, то получится устройство, называемое оптотиристором (тиристорным оптроном).

Защита тиристоров

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS . Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Рис. 7. Типовая схема защиты тиристора

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров применяются цепи формирования траектории переключения, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

Источник: Школа для Электрика

8465

Закладки

Комментировать 3

Последние публикации

Эксперты НИУ «МЭИ» обсудили будущее инженерного образования на проектной сессия «Росатома»

30 июля в 13:35 28

IPPON на отраслевом мероприятии по видеонаблюдению Layta Connect в Казани

29 июля в 17:27 27

Rockwell Automation представила эпизод фильма о цифровой трансформации с Technologies Added и Sustainder

28 июля в 23:42 37

Корпорация МСП в августе запустит новый «зонтичный» механизм поручительств для малого бизнеса

28 июля в 23:40 34

«IT Академия Samsung» начинает работу в Московском энергетическом институте

28 июля в 23:32 40

Schneider Electric получила награду «Лучший проект года» за инициативу в области работы с цепочками поставок

28 июля в 23:29 28

Производитель специализированных труб инвестировал в развитие предприятия 200 млн рублей при поддержке ПСБ и Корпорации МСП

27 июля в 18:18 44

Поздравляем Башкирскую генерирующую компанию с 15-летним юбилеем

27 июля в 16:01 38

Уникальная экспериментальная электростанция НИУ «МЭИ» получила положительное заключение государственной экспертизы

27 июля в 14:44 71

Новая точка на карте дальневосточных проектов ЗАО «ЗЭТО» – центр питания для морского порта Суходол

26 июля в 15:54 42

Комментарии 3

олег

Очень удобная подборка материалов для реферата по ФОЭ.Большое спасибо
21 июня 2014 в 16:11

Закладки

Комментарий проверяется

Текст комментария будет виден после проверки администратором.
19 июля в 11:58

Закладки