Тиристор: типи, характеристики, область застосування. Школа електрика. Колективний

13.04.2017

Тиристор: типи, характеристики, область застосування

Тиристор – це напівпровідниковий прилад, який виготовляється на основі монокристалічного напівпровідника, що має три (і більше) p-n-переходу. Тиристор характеризуються наявністю двох стійких станів:

закритий – напівпровідник знаходиться у стані низької провідності, струм практично не протікає

відкритий – напівпровідник в стані високої провідності, струм проходить через елемент фактично без обмежень

По суті, тиристор – електричний силовий керований ключ (правда, його керованість не є стовідсотковою). В технічній літературі зустрічається й інша назва – одноопераційний тиристор, адже керуючий сигнал може тільки перевести тиристор у відкрите (робочий стан. Щоб вимкнути тиристор, необхідно прийняти особливі заходи, спрямовані на зменшення прямого струму до мінімуму (нуля).

Структура тиристора – це послідовність чотирьох, з’єднаних послідовно, верств p і, відповідно, n типу, що утворюють структуру р-n-р-n:

крайня область, на яку надходить позитивний (+) полюс живлення – анод, р – типу

інша крайня область, до якої прикладається від’ємне (-) напруга, катод, – >n типу

керуючий електрод (конструкційно може бути передбачено розміщення до 2 електродів) приєднується до внутрішніх шарів.

Ось так схематично виглядає принцип дії тиристора:

Для початку розглянемо випадок, при якому напруга на керуючому електроді відсутня, тиристор підключений за схемою динистора – напруга прикладається тільки до анода (відповідно, +) і катода (-).

В такому стані тиристор можна представити в наступному вигляді:

В цьому стані колекторний p-n-перехід знаходиться в закритому стані, а емітерний – відкритий. Відкриті переходи мають малий опір, тому фактично всі напругу, що надходить від джерела живлення, прикладається до колекторному переході, з-за високого опору якого протікає струм через тиристор має незначне значення.

На представленій вольт-амперною характеристикою (ВАХ) це стан відповідає ділянці 1.

При зростанні напруги, що надходить від джерела живлення, до певного моменту струм тиристора зростає незначно. Але при наближенні до деякого критичного значення (позначеного на графіку Uвкл, загальноприйнята назва – напруга включення), в динисторе виникають умови, при якому в районі колекторного переходу починається збільшення носіїв заряду, яка приймає лавинний характер. В результаті в колекторному переході настає зворотний електричний пробій (на графіку – точка 2). В p-області колекторного переходу виникає надлишкова концентрація позитивних зарядів (дірок), в n-області – концентрація електронів. Зростання концентрації цих носіїв призводить до зниження потенційного бар’єру на всіх трьох переходах динистора, через емітерний перехід жваво збільшується інжекція носіїв. Процес остаточно приймає лавиноподібний характер, який призводить до перемикання у відкритий стан колекторного переходу. Одночасно відбувається зростання струму та падіння опору по всіх областях приладу, як наслідок – зростання струму, що проходить через прилад, супроводжується падінням напруги між катодом і анодом (на графіку – відрізок 3). На цьому відрізку діністор має від’ємний диференційний опір. Зростає напруга На резисторі і діністор перемикається.

Після того, як колекторний перехід виявляється відкритим, ВАХ динистора приймає вигляд, який повністю повторює ВАХ діода на прямий гілки (на графіку – ділянка 4). Після того, як діністор переключився, напруга падає до 1 Ст. В подальшому збільшення значення напруги або зниження опору (резистор R) призведе до зростання вихідного струму – ситуація точно повторює процеси, що відбуваються з діодом при його прямому включенні. Якщо ж напруга зменшити, то високий опір, характерне для колекторного переходу, практично миттєво (десятки мікросекунд) відновлюється, діністор закривається, струм падає.

Напруга включення (Uвкл), при якому відбувається лавиноподібне наростання струму, можна регулювати, вносячи в будь-який з шарів, які прилягають до колекторному переході, неосновні носії заряду. Для цього використовується додатковий електрод – керуючий, заживлюємо з незалежного джерела, який подає керуюча напруга – Uупр. На малюнку чітко проглядається залежність – при зростанні Uупр напруга включення зменшується.

Параметри тиристорів

Для числового опису характеристик тиристора використовуються наступні параметри:

Uвкл (напруга включення) – напруження, при якому відбувається перехід тиристора у відкритий стан

Uo6p.max – повторювана імпульсна зворотна напруга – значення напруги, при якому відбувається електричний пробій. Для більшості тиристорів справедливо рівність Uo6p.max. = Uвкл

максимально допустиме значення струму

струм утримання – значення анодного струму, при якому відбувається закриття тиристора

гранична швидкість, з якою відбувається наростання анодного струму

Тиристори: основні типи

Сьогодні розроблено велику кількість тиристорів, що відрізняються процесами управління, швидкодією, величиною і напрямом струмом. При цьому можна виділити найбільш затребувані типи тиристорів:

тиристор-діод – еквівалент тиристора, що має зустрічно-паралельне включення з діодом

діністор (діодний тиристор) – докладно розглянуто вище, має всього два електрода, керуючий електрод відсутній

тиристор, що замикається

симистор (симетричний тиристор) – еквівалент двох зустрічно-паралельно підключених тиристорів

инвесторный тиристор – відрізняється високою швидкодією, час включення становить від 5 до 50 мкс

фоторизистор – роль керуючого електрода виконує фотоелемент

Замикаються, тиристори

Замикається тиристор має чотиришарову класичну >p>n->p>n структуру, але при цьому мають ряд конструктивних особливостей, що дозволяють їм отримати принципова відмінність від звичайних тиристорів – повну керованість. Завдяки впливу струму від керуючого електрода, блокування тиристори можуть переходити у відкритий стан із закритого, так і в зворотному напрямку – з відкритого на закрите. Для цього на керуючий електрод подається напруга, протилежне тому, яке викликало відкриття тиристора. Для вимикання тиристора по ланцюгу керуючого електрода подається потужний (рекомендоване співвідношення 1:5 по відношенню до поточного значення прямого струму, що проходить через відкритий тиристор), але короткий за тривалістю (від 10 до 100 мкс) імпульс негативного струму. При використанні замикаються тиристорів варто пам’ятати, що їх граничні значення (по струму і напрузі) в середньому до 30% менше, ніж у звичайних.

На практиці замикаються, тиристори активно використовуються в ролі електронних ключів в перетворювальної техніки.

На відміну від четырехслойного тиристора, симистор (інша назва – триак, що походить від англійської TRIAC, абревіатури від triode for alternating current) має п’ятишарову структуру.

Схема симістора

Завдяки такій структурі він має можливість пропускати струм в обох напрямках – як від катода до анода, так і в протилежному напрямку – від анода до катода, а на керуючий електрод може подаватися керуюча напруга різної полярності – як позитивне, так і негативне. Завдяки цьому вольт-амперна характеристика симістора має симетричний вигляд.

Як реле або електронний вимикач симистор має ряд переваг, якщо брати електромеханічні аналоги: він значно дешевше, повністю відсутня механічна частина, іскріння і підгоряння контактів, великий термін служби. До недоліків слід віднести необхідність забезпечити відвід тепла (сімістори чутливі до нагрівання, тому вимагають монтажу на радіаторі), не можуть працювати на високих частотах – мають значну тривалість перехідних процесів. Крім того, при монтажі симістора слід обов’язково забезпечити його захист від електричних шумів, наведень і перешкод, які можуть спровокувати помилкове спрацьовування.

Про те, що таке симистор і як він працює, детально пояснює наступне відео:

Особливості монтажу сімісторов:

— при малих навантаженнях або коли струми навантаження являють собою короткі імпульси (до 1 секунди), монтаж сімісторов можна проводити без теплоотводящего радіатора. В інших випадках – його наявність обов’язково

— до тепловідводу триак може фіксуватися кріпленням затискачем (найбільш прийнятний спосіб), кріпленням гвинтом або клепкою (не рекомендується, може викликати пошкодження кристала)

— для зменшення ймовірності несанкціонованого спрацьовування через шумових наведень, довжина провідника, відповідного до затвору, повинна бути мінімальна. Для підключення бажано використовувати екранований кабель або виту пару.

Фототиристоры

Фототиристор (інша назва — оптотиристор) – спеціальний тиристор, особливістю якого є наявність в корпусі (при дискретному виконанні) фотоелемента, що виконує роль керуючого електрода.

При опроміненні світловим потоком певної потужності фотоелемент переводить тиристор у відкрите положення.

Дане відео наочно знайомить з принципом роботи фототиристора:

Застосування тиристорів

У цілому застосування тиристорів можна розділити на 4 групи:

силові ключі – перемикачі змінного напруги. Одним з визначальних моментів, що впливають на затребуваність подібних схем, виступає низька потужність, яка розсіюється тиристором в схемах перемикання. У закритому стані потужність практично не розсіюється з-за того, що струм практично дорівнює нулю. А у відкритому стані розсіює потужність незначна завдяки невеликим значенням напруги

порогові пристрої, в них задіяно основна властивість тиристора – відкриватися (пропускати струм) при досягненні напругою певного значення. Ця група схем особливо активно використовується у фазових регуляторах потужності і релаксаційних генераторах

підключення постійного струму – для переривання, включення/вимикання використовуються замикаючі тиристори. Правда, при цьому схеми потребують певного доопрацювання – тиристори в цілому погано працюють в ланцюгах з постійним струмом. Але висока надійність, здатність працювати з великими за значенням струмами і напругами повністю виправдовують деякі незручності

експериментальні пристрої – у них використовується властивість тиристора мати негативний опір, перебуваючи в перехідному режимі

Як перевірити працездатність тиристора або симістора:

Короткий опис статті: тиристор

Джерело: Тиристор: типи, характеристики, область застосування / Школа електрика / Колективний блог

Також ви можете прочитати