Эквивалентная схема тиристора: Тиристор в подробностях. Структура. Свойства. Схемы.| Elektrolife

Содержание

Тиристоры с полевым управлением

Добавлено 8 ноября 2018 в 23:22

Сохранить или поделиться

Две сравнительно недавние технологии, предназначенные для снижения требований к «управлению» (к отпирающему току управляющего электрода) классическими тиристорными устройствами, – это тиристор с МОП управляющим электродом (MOS-gated thyristor, MGT) и МОП-управляемый тиристор (MOS Controlled Thyristor, MCT).

Тиристор с МОП управляющим электродом использует MOSFET транзистор для инициирования проводимости тока через верхний (PNP) транзистор стандартной тиристорной структуры, тем самым отпирая устройство. Поскольку MOSFET транзистор для «запуска» (приводящего к его насыщению) требует незначительного тока, это делает тиристор в целом очень простым для запуска (рисунок ниже).

Эквивалентная схема тиристора с МОП управляющим электродом

Учитывая тот факт, что обычные SCR тиристоры довольно легко «запускать» как есть, то практическое преимущество использования еще более чувствительного устройства (MOSFET) для инициирования запуска является спорным решением. Кроме того, размещение MOSFET транзистора на входном управляющем электроде делает невозможным отключение (запирание) тиристора с помощью сигнала обратного переключения. Только сброс из-за малого тока сможет привести к тому, чтобы это устройство перестало проводить ток после того, как было отперто.

Возможно, более высокое значение имело бы устройство, которое было бы полностью управляемым тиристором, в результате чего малый сигнал управляющего электрода мог бы запускать тиристор и заставлять его запираться. Такое устройство действительно существует, и оно называется МОП-управляемым тиристором (MOS Controlled Thyristor, MCT). Он использует пару MOSFET транзисторов, подключенных к общему управляющему электроду, один для отпирания тиристора, а другой для запирания (рисунок ниже).

Эквивалентная схема МОП-управляемого тиристора (MCT тиристора)

Положительное напряжение на управляющем электроде (относительно катода) открывает верхний (N-канальный) MOSFET транзистор, пропускающему ток через базу верхнего (PNP) транзистора, который фиксирует транзисторную пару в «открытом» состоянии. Как только оба транзистора будут полностью открыты, падение напряжения между анодом и катодом будет маленьким, и тиристор останется отпертым до тех пор, пока управляемый ток превышает минимальное (удерживающее) значение тока. Однако если к управляющему электроду приложить отрицательное напряжение (относительно анода, на котором напряжение почти такое же, как на катоде в отпертом состоянии), нижний MOSFET транзистор откроется и «замкнет» выводы базы и эмиттера нижнего (NPN) транзистора, тем самым вынуждая его уйти в режим отсечки. Как только NPN транзистор закроется, PNP транзистор выйдет из режима проводимости, и весь тиристор запрется. Напряжение управляющего электрода имеет полный контроль над проводимостью MCT тиристора, чтобы включать его и выключать.

Однако это устройство всё еще является тиристором. Если между управляющим электродом и катодом подается нулевое напряжение, ни один MOSFET транзистор не откроется. Следовательно, пара биполярных транзисторов останется в том состоянии, в котором она была до этого (гистерезис). Таким образом, короткий положительный импульс на управляющем электроде отопрет MCT тиристор, короткий отрицательный импульс заставит его запереться, а отсутствие напряжения на управляющем электроде позволяет MCT тиристору оставаться в любом состоянии, в котором он уже находился. По сути, MCT тиристор является фиксируемой версией IGBT транзистора (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Резюме

  • Тиристор с МОП управляющим электродом использует N-канальный MOП-транзистор для отпирания тиристора, что приводит к требованию чрезвычайно низкого тока управляющего электрода.
  • МОП-управляемый тиристор использует два MOSFET транзистора для полного управления тиристором. Положительное напряжение управляющего электрода опирает устройство; отрицательное напряжение управляющего электрода заставляет его запереться. Нулевое напряжение на управляющем электроде позволяет тиристору оставаться в любом состоянии, в котором он был ранее (заперт или отперт).

Оригинал статьи:

Теги

MCT (МОП-управляемый тиристор)MGT (тиристор с МОП управляющим электродом)MOSFET / МОП транзисторОбучениеТиристорЭлектроника

Сохранить или поделиться

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.


Тиристоры и симисторы - RadioRadar


Тиристор


   Тиристор - это переключающий полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении. Этот радиоэлемент часто сравнивают с управляемым диодом и называют полупроводниковым управляемым вентилем (Silicon Controlled Rectifier, SCR).

Тиристор имеет три вывода, один из которых - управляющий электрод, можно сказать, "спусковой крючок" - используется для резкого перевода тиристора во включенное состояние.

   Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают четыре основных свойства тиристора:

  • тиристор, как и диод, проводит в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;
  • тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния. Тем не менее для возврата тиристора в выключенное (разомкнутое) состояние необходимо выполнить специальные условия;
  • управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое, значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока;
  • oсредний ток через нагрузку, включенную последовательно с тиристором, можно точно регулировать в зависимости от длительности сигнала на управляющем электроде. Тиристор при этом является регулятором мощности.

Структура тиристора


   Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся четырех кремниевых слоев типа р и n. Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой представлен на рис. 1.

   Крайнюю область р-структуры, к которой подключается положительный полюс источника питания, принято называть анодом, а крайнюю область n, к которой подключается отрицательный полюс этого источника, - катодом.

Рис.1. Структура и обозначение тиристора

Свойства тиристора в закрытом состоянии


   В соответствии со структурой тиристора можно выделить три электронно-дырочных перехода и заменить тиристор эквивалентной схемой, как показано на рис. 2.

   Эта эквивалентная схема позволяет понять поведение тиристора с отключенным управляющим электродом.

   Если анод положителен по отношению к катоду, то диод D2 закрыт, что приводит к закрытию тиристора, смещенного в этом случае в прямом направлении. При другой полярности диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении, и тиристор также закрыт.

Рис.2. Представление тиристора тремя диодами

Принцип отпирания с помощью управляющего электрода


   Эквивалентное представление структуры р-n-p-n в виде двух транзисторов показано на рис. 3.

   Представление тиристора в виде двух транзисторов разного типа проводимости приводит к эквивалентной схеме, представленной на рис. 1.4. Она наглядно объясняет явление отпирания тиристора.

   Зададим ток IGT через управляющий электрод тиристора, смещенного в прямом направлении (напряжение VAK положительное), как показано на рис. 4.

   Так как ток IGT становится базовым током транзистора n-p-n, то ток коллектора этого транзистора равен B

1xIGT, где B1 - коэффициент усиления по току транзистора Т1.

   Этот ток одновременно является базовым током транзистора р-n-р, что приводит к его отпиранию. Ток коллектора транзистора Т2 составляет величину B1xB2xIGT и суммируется с током IGT, что поддерживает транзистор Т1 в открытом состоянии. Поэтому, если управляющий ток IGT достаточно велик, оба транзистора переходят в режим насыщения.

   Цепь внутренней обратной связи сохраняет проводимость тиристора даже в случае исчезновения первоначального тока управляющего электрода IGT, при этом ток анода (1А ) остается достаточно высоким.

   Типовая схема запуска тиристора приведена на рис. 5

.

Рис.3. Разбиение тиристора на два транзистора

Рис.4. Представление тиристора в виде двухтранзисторной схемы

Рис.5. Типичная схема запуска тиристора

Отключение тиристора


   Тиристор перейдет в закрытое состояние, если к управляющему электроду открытого тиристора не приложен никакой сигнал, а его рабочий ток спадет до некоторого значения, называемого током удержания (гипостатическим током).

   Отключение тиристора произойдет, в частности, если была разомкнута цепь нагрузки (рис. 6а) или напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого полупериода переменного напряжения питания).

Рис.6. Способы отключения тиристора

   Когда тиристор работает при постоянном токе, отключение может быть произведено с помощью механического выключателя.

   Включенный последовательно с нагрузкой этот ключ используется для отключения рабочей цепи.

   Включенный параллельно основным электродам тиристора (рис. 6б) ключ шунтирует анодный ток, и тиристор при этом переходит в закрытое состояние. Некоторые тиристоры повторно включаются после размыкания ключа. Это объясняется тем, что при размыкании ключа заряжается паразитная емкость р-n перехода тиристора, вызывая помехи.

   Поэтому предпочитают размещать ключ между управляющим электродом и катодом тиристора (рис. 1.6в), что гарантирует правильное отключение посредством отсечения удерживающего тока. Одновременно смещается в обратном направлении переход р-n, соответствующий диоду D2 из схемы замещения тиристора тремя диодами (рис. 2).

   На рис. 6а-д представлены различные варианты схем отключения тиристора, среди них и ранее упоминавшиеся. Другие, как правило, применяются, когда требуется отключать тиристор с помощью дополнительной цепи. В этих случаях механический выключатель можно заменить вспомогательным тиристором или ключевым транзистором, как показано на рис. 7.

Рис.7. Классические схемы отключения тиристора с помощью дополнительной цепи

Симистор


   Симиcmop - полупроводниковый прибор, который широко используется в системах, питающихся переменным напряжением. Упрощенно он может рассматриваться как управляемый выключатель. В закрытом состоянии он ведет себя как разомкнутый выключатель. Напротив, подача управляющего тока на управляющий электрод симис-тора ведет к переходу его в проводящее состояние. В это время симистор подобен замкнутому выключателю.

   При отсутствии управляющего тока симистор во время любого полупериода переменного напряжения питания неизбежно переходит из состояния проводимости в закрытое состояние.

   Кроме работы в релейном режиме в термостате или светочувствительном выключателе, разработаны и широко используются системы регулирования, функционирующие по принципу фазового управления напряжением нагрузки, или, другими словами, плавные регуляторы.

Структура симистора


   Симистор можно представить двумя тиристорами, включенными встречно-параллельно. Он пропускает ток в обоих направлениях. Структура этого полупроводникового прибора показана на рис. 8. Симистор имеет три электрода: один управляющий и два основных для пропускания рабочего тока.

Рис.8. Структура симистора

Функционирование симистора


   Симистор открывается, если через управляющий электрод проходит отпирающий ток или если напряжение между его электродами А1 и А2 превышает некоторую максимальную величину (на самом деле это часто приводит к несанкционированным срабатываниям симистора, происходящим при максимуме амплитуды напряжения питания).

   Симистор переходит в закрытое состояние после изменения полярности между его выводами А1 и А2 или если значение рабочего тока меньше тока удержания Iу.

Отпирание симистора


   В режиме переменного питания смена состояний симистора вызывается изменением полярности напряжения на рабочих электродах А1 и А2. Поэтому в зависимости от полярности управляющего тока можно определить четыре варианта управления симистором, как показано на рис. 9.

   Каждый квадрант соответствует одному способу открывания симистора. Все способы кратко описаны в табл. 1.

Рис.9. Четыре возможных варианта управления симистором

Таблица 1. Упрощенное представление способов открывания симистора

КвадрантVA2-A1VG-A1IGTОбозначение
I>0>0Слабый + +
II>0Средний+ -
IIIСредний- -
IV>0Высокий- +

   Например, если между рабочими электродами симистора прикладывают напряжение VA1-A2>0 и напряжение на управляющем электроде отрицательно по отношению к аноду А1, то смещение симистора соответствует квадранту II и упрощенному обозначению + -.

   Для каждого квадранта определены отпирающий ток I от (IGT), удерживающий ток Iуд(Iн) и ток включения Iвыкл(IL).

   Отпирающий ток должен сохраняться до тех пор, пока рабочий ток не превысит в два-три раза величину удерживающего тока Iн. Этот минимальный отпирающий ток и является током включения симистора IL.

   Затем, если убрать ток через управляющий электрод, симистор останется в проводящем состоянии до тех пор, пока анодный ток будет превышать ток удержания Iн.

Ограничения при использовании


   Симистор накладывает ряд ограничений при использовании, в частности при индуктивной нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения напряжения (dV/dt) между анодами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt.

   Действительно, во время перехода симистора из закрытого состояния в проводящее внешней цепью может быть вызван значительный ток. В то же время мгновенного падения напряжения на выводах симистора не происходит. Следовательно, одновременно будут присутствовать напряжение и ток, развивающие мгновенную мощность, которая может достигнуть значительных величин. Энергия, рассеянная в малом пространстве, вызовет резкое повышение температуры р-п переходов. Если критическая температура будет превышена, то произойдет разрушение симистора, вызванное чрезмерной скоростью нарастания тока di/dt.

   Ограничения также распространяются на изменение напряжения двух категорий: на dV/dt применительно к закрытому симистору и на dV/dt при открытом симисторе (последнее также называется скоростью переключения).

   Чрезмерная скорость нарастания напряжения, приложенного между выводами А1 и А2 зарытого симистора, может вызвать его открытие при отсутствии сигнала на управляющем электроде. Это явление вызывается внутренней емкостью симистора. Ток заряда этой емкости может быть достаточным для отпирания симистора.

   Однако не это является основной причиной несвоевременного открытия. Максимальная величина dV/dt при переключении симистора, как правило, очень мала, и слишком быстрое изменение напряжения на выводах симистора в момент его запирания может тотчас же повлечь за собой новое включение. Таким образом, симистор заново отпирается, в то время как должен закрыться.

Рис.10. Симистор с защитной RC-цепочкой

   При индуктивной нагрузке симистора или при защите от внешних перенапряжений для ограничения влияния dV/dt и тока перегрузки желательно использовать защитную RC-цепочку (рис. 10).

   Расчет значений R и С зависит от нескольких параметров, среди которых - величина тока в нагрузке, значения индуктивности и номинального сопротивления нагрузки, рабочего напряжения, характеристик симистора.

   Совокупность этих параметров с трудом поддается точному описанию, поэтому часто принимают во внимание эмпирические значения. Включение сопротивления 100-150 Ом и конденсатора 100 нФ дает удовлетворительные результаты. Однако отметим, что значение сопротивления должно быть гораздо меньше (или одного порядка), чем величина полной нагрузки, являясь достаточно высоким для того, чтобы ограничить ток разряда конденсатора с целью соблюдения максимального значения di/dt в момент отпирания.

   RC-цепочка дополнительно улучшает включение в проводящее состояние симистора, управляющего индуктивной нагрузкой. Действительно, ток разряда конденсатора устраняет влияние задержки индуктивного тока, поддерживая рабочий ток выше минимального значения удерживающего тока Iуд(Iн).

Рис.11. Защита симистора с помощью варистора

   Дополнительная защита, заслуживающая внимания, может быть обеспечена с помощью варистора, подключенного к выводам индуктивной нагрузки. Другой варистор, включенный параллельно питающему напряжению, задержит помехи, распространяющиеся по сети питания. Защита симистора также обеспечивается при подключении варистора параллельно его выводам А1 и А2 (рис. 11).

Источник

  1. Кадино Э. Цветомузыкальные установки.-М.: ДМК Пресс, 2000.

Эквиваленты транзистора, динистора, тиристора, варикапа, замена деталей

В современных радиоэлектронных устройствах используется весьма широкий ассортимент самых разнообразных электронных приборов. Порой отсутствие одного или нескольких таких элементов может затормозить или даже прервать выполнение работы по монтажу или макетированию схемы.

Очень часто встречаются ситуации, когда необходимо один элемент заменить другим. Если речь идет о простой замене одного номинала резистора или конденсатора на другой, то решение задачи замены или подбора заменяющего номинала очевидно. Менее очевидны замены радиоэлементов, имеющих специфические, только им присущие свойства.

Ниже будут рассмотрены вопросы замены некоторых специальных полупроводниковых приборов их эквивалентами, выполненными из более доступных элементов.

В импульсной технике широко используют управляемые и неуправляемые коммутирующие элементы, имеющие вольт-амперную характеристику с N- или S-образным участком. Это лавинные транзисторы, газовые разрядники, динисторы, тиристоры, симисторы, однопереходные транзисторы, лямбда-диоды, туннельные диоды, инжекционно-полевые транзисторы и другие элементы.

В релаксационных генераторах импульсов, различных преобразователях электрических и неэлектрических величин в частоту широко используют биполярные лавинные транзисторы. Следует отметить, что специально такие транзисторы почти не выпускают. На практике в этих целях используют обычные транзисторы в необычном включении или режиме эксплуатации.

Эквивалент лавинного транзистора и динистора

Лавинный транзистор — полупроводниковый прибор, работающий в режиме лавинного пробоя. Такой пробой обычно возникает при напряжении, превышающем предельно допустимое значение.

Не допустить теплового пробоя (необратимого повреждения) транзистора можно при ограничении тока через транзистор (подключением высокоомной нагрузкой).

Лавинный пробой транзистора может наступать в «прямом» и «инверсном» включении транзистора. Напряжение лавинного пробоя при инверсном включении (полярность подключения полупроводникового прибора противоположна общепринятой, рекомендованной) обычно ниже, чем для «прямого» включения.

Вывод базы транзистора часто не используется (не подключается к другим элементам схемы). В ряде случаев базовый вывод соединяют с эмиттером через высокоом-ный резистор (сотни кОм — ед. МОм). Это позволяет в некоторых пределах регулировать величину напряжения лавинного пробоя.

На рис. 1 приведена схема равноценной замены «лавинного» транзистора интегрального прерывателя К101КТ1 ее дискретными аналогами. Интересно отметить, что при ближайшем рассмотрении эта схема тождественна эквивалентной схеме динистора (рис. 1), тиристора (рис. 2) и однопереходного транзистора (рис. 4).

Отметим попутно, что и вид вольт-амперных характеристик всех этих полупроводниковых приборов имеет общие характерные особенности. На их вольт-амперных характеристиках имеется S-образный участок, участок с так называемым «отрицательным» динамическим сопротивлением. Благодаря такой особенности вольт-амперной характеристики перечисленные приборы могут использоваться для генерации электрических колебаний.

Рис. 1. Аналог лавинного транзистора и динистора.

Эквивалент тиристора

Тиристоры, динисторы и им подобные элементы способны при весьма незначительных внутренних потерях управлять большими мощностями, подводимыми к нагрузке.

Тиристоры — приборы, обладающие двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (проводимость отсутствует, прибор заперт) и состоянием высокой проводимости (проводимость близка к нулю, прибор открыт). Представители класса тиристоров [Вишневский А.И]:

  • диодные тиристоры (динисторы, диаки), имеющие два вывода (анод и катод), управляемые путем подачи на электроды напряжения с высокой скоростью его нарастания или повышения приложенного напряжения до величины, близкой к критической;
  • триодные тиристоры (тринисторы, триаки), трехэлектродные элементы, управляющий электрод которых служит для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое;
  • тетродные тиристоры, имеющие два управляющих электрода;
  • симметричные тиристоры — симисторы, имеющие пятислой-ную структуру. Иногда этот полупроводниковый прибор называют семистором.

Диодные тиристоры (динисторы), ассортимент которых не столь велик, различаются, главным образом, максимально допустимым постоянным прямым напряжением в закрытом состоянии.

Так, для динисторов типов КН102А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, И (2Н102А — И) значения этих напряжений составляют, соответственно, 5, 7, 10, 14, 20, 30, 40, 50 В при обратном токе не более 0,5 мА. Максимально допустимый постоянный ток в открытом состоянии для этих полупроводниковых приборов равен 0,2 А при остаточном напряжении в открытом состоянии 1,5 В.

На рис. 1 приведена эквивалентная схема низковольтного динистора. Если принять R1=R3=100 Ом, можно получить динистор с управляемым (с помощью резистора R2) напряжением переключения от 1 до 25 В [Войцеховский Я., Р 11/73-40, Р 12/76-29]. При отсутствии этого резистора и при условии R1=R3=5,1 кОм напряжение переключения составит 9 Б, а при R1=R3=3 кОм —12 В.

Аналог тиристора р-п-р-п-структуры, описанный в книге Я. Войцеховского, показан на рис. 2. Буквой А обозначен анод; К — катод; УЭ — управляющий электрод. В схемах (рис. 1, 2) могут быть использованы транзисторы типов КТ315 и КТ361.

Необходимо лишь, чтобы подводимое к полупроводниковому прибору или его аналогу напряжение не превышало предельных паспортных значений. В таблице (рис. 2) показано, какими величинами R1 и R2 следует руководствоваться при создании аналога тиристора на основе германиевых или кремниевых транзисторов.

Рис. 2. Аналог тиристора.

В разрывы электрической цепи, показанные на схеме (рис. 2) крестиками, можно включить диоды, позволяющие влиять на вид вольт-амперной характеристики аналога. В отличие от обычного тиристора, его аналогом (рис. 2) можно управлять, используя дополнительный вывод — управляющий электрод УЭдоп, подключенный к базе транзистора VT2 (верхний рисунок) или VT1 (нижний рисунок).

Обычно тиристор включают кратковременной подачей напряжения на управляющий электрод УЭ. При подаче напряжения на электрод УЭдоп тиристор, напротив, можно перевести из включенного состояния в выключенное.

Аналог управляемого динистора

Аналог управляемого динистора может быть создан с использованием тиристора (рис. 3) [Р 3/86-41]. При указанных на схеме типах элементов и изменении сопротивления резистора R1 от 1 до 6 кОм напряжение переключения динистора в проводящее состояние изменяется от 15 до 27 В.

Рис. 3. Аналог управляемого динистора.

Эквивалент однопереходного транзистора

Рис. 4. Аналог однопереходного транзистора.

Эквивалентная схема используемого в генераторных устройствах полупроводникового прибора — однопереходного транзистора — показана на рис. 4. Б1 и Б2 — первая и вторая базы транзистора.

Эквивалент инжекционно-полевого транзистора

Инжекционно-полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с S-образной ВАХ. Подобные приборы широко используют в импульсной технике — в релаксационных генераторах импульсов, преобразователях напряжение-частота, ждущих и управляемых генераторах и т.д.

Такой транзистор может быть составлен объединением полевого и обычного биполярного транзисторов (рис. 5, 6). На основе дискретных элементов может быть смоделирована не только полупроводниковая структура.

Рис. 5. Аналог инжекционно-полевого транзистора п-структуры.

Рис. 6. Аналог инжекционно-полевого транзистора р-структуры.

Эквивалент низковольтного газового разрядника

На рис. 7 показана схема устройства, эквивалентного низковольтному газовому разряднику [ПТЭ 4/83-127]. Этот прибор представляет собой газонаполненный баллон с двумя электродами, в котором возникает электрический межэлектродный пробой при превышении некоторого критического значения напряжения.

Напряжение «пробоя» для аналога газового разрядника (рис. 7) составляет 20 В. Таким же образом, может быть создан аналог, например, неоновой лампы.

 

Рис. 7. Аналог газового разрядника - схема эквивалентной замены.

Эквивалентная замена лямбда-диодов

Совершенно особым видом ВАХ обладают полупроводниковые приборы типа лямбда-диодов, туннельных диодов. На вольт-амперных характеристиках этих приборов имеется N-об-разный участок.

Лямбда-диоды и туннельные диоды могут быть использованы для генерации и усиления электрических сигналов. На рис. 8 и рис. 9 показаны схемы, имитирующие лямбда-ди-од [РТЕ 9/87-35].

Практически в генераторах чаще используют схему, представленную на рис. 9 [ПТЭ 5/77-96]. Если между стоками полевых транзисторов включить управляемый резистор (потенциометр) либо транзистор (полевой или биполярный), то видом вольт-амперной характеристики такого «лямбда-диода» можно управлять в широких пределах: регулировать частоту генерации, модулировать колебания высокой частоты и т.д.

Рис. 8. Аналог лямбда-диода.

Рис. 9. Аналог лямбда-диода.

Эквивалентная замена туннельных диодов

Рис. 10. Аналог туннельного диода.

Туннельные диоды также используют для генерации и усиления высокочастотных сигналов. Отдельные представители этого класса полупроводниковых приборов способны работать до мало достижимых в обычных условиях частот — порядка единиц ГГц. Устройство, позволяющее имитировать вольт-амперную характеристику туннельного диода, показано на рис. 10 [Р 4/77-30].

Схема эквивалента варикапа

Варикапы — это полупроводниковые приборы с изменяемой емкостью. Принцип их работы основан на изменении барьерной емкости полупроводникового перехода при изменении приложенного напряжения.

Чаще на варикап подают обратное смещение, реже — прямое. Такие элементы обычно применяют в узлах настройки радио- и телеприемников. В качестве варикапов могут быть использованы обычные диоды и стабилитроны (рис. 11), а также их полупроводниковые аналоги (рис. 12 [F 9/73-434], рис. 13 [ПТЭ 2/81-151]).

Рис. 11. Варикап.

Рис. 12. Схема аналога варикапа.

Рис. 13. Схема аналога варикапа на основе полевого транзистора.


Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1).

ЛЕКЦИЯ 11. ТИРИСТОРЫ И СИМИСТОРЫ

П л а н л е к ц и и

11.1. Структура и принцип действия тиристоров и симисторов. Характеристики и параметры.

11.2. Применение тиристоров.

11.1. Структураипринципдействиятиристоровисимисторов. Характеристикиипараметры.

Тиристоры являются переключающими приборами. Их название происходит от греческого слова thyra (тира), означающего «дверь», «вход».

Структура диодного тиристора (динистора) p–n–p–n показана на рис. 11.1, а. Как видно, он имеет три р–п-перехода, причем два из них (П1 и П3) смещены в прямом направлении, а средний переход П2 – смещен в обратном направлении. Крайнюю область р называют анодом, а крайнюю область п – катодом.

 

 

 

i = iэ2

 

 

 

i = iэ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

Э2

 

 

Э2

 

 

 

 

Т1

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П3

 

 

 

 

 

 

П3

 

iк0

 

 

 

 

К1

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б2(K1)

+

Б2

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е

П2

 

 

 

 

 

Е

П2

 

iк1=iб2

 

р

 

Б1

 

 

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

р

 

Б1(K2)

 

К2

 

 

 

 

 

П1

 

 

 

 

iб1=iк2

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П1

 

 

 

 

 

 

 

Т2

 

 

Э1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Э1

i = iэ1

 

 

 

 

 

 

 

i = iэ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 11.1. Структура диодного тиристора (а) и его

 

 

 

 

 

 

эквивалентная схема в виде двух транзисторов (б)

 

 

 

 Электроника. Конспект лекций

-123-

ЛЕКЦИЯ 11. ТИРИСТОРЫ И СИМИСТОРЫ

11.1. Структура и принцип действия тиристоров и симисторов. Характеристики и параметры.

Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы (модели), состоящей из двух транзисторов Т1 и Т2 типа п–р–п и р–п–р, соединенных так, как показано на рис. 11.1, б. Получается, что переходы П1 и П3 являются эмиттерными переходами этих транзисторов, а переход П2 работает в обоих транзисторах в качестве коллекторного перехода. Область базы Б1 транзистора Т1 одновременно является коллекторной областью К2 транзистора Т2, а область базы Б2 транзистора Т2 одновременно служит коллекторной областью K1 транзистора Т1. Соответственно этому коллекторный ток первого транзистора iк1 является током базы второго транзистора iб2, а ток коллектора второго транзистора iк2 представляет собой ток базы iб1 первого транзистора. Схема из двух транзисторов по своим свойствам совпадает с диодным тиристором. Современные тиристоры делают, как правило, из кремния с применением планарной технологии. Концентрация примеси в базовых (средних) областях значительно меньше, чем в эмиттерных (крайних) областях.

Физические процессы в тиристоре можно представить себе следующим образом. Если бы был только один переход П2, работающий при обратном напряжении, то существовал бы лишь небольшой обратный ток, вызванный перемещением через переход неосновных носителей, которых мало. Но, как известно, в транзисторе может быть получен большой коллекторный ток, являющийся обратным током коллекторного перехода, если в базу транзистора со стороны эмиттерного перехода инжектируются в большом количестве неосновные носители. Чем больше прямое напряжение на эмиттерном переходе, тем больше этих носителей приходит к коллекторному переходу, тем больше становится ток коллектора. Напряжение на коллекторном переходе, наоборот, становится меньше, так как при большем токе уменьшается сопротивление коллекторного перехода и возрастает падение напряжения на нагрузке, включенной в цепь коллектора. Так, например, в схемах переключения транзистор переводится в открытое состояние (в режим насыщения) путем подачи на его эмиттерный переход соответствующего прямого напряжения. При этом ток коллектора достигает максимального значения, а напряжение между коллектором и базой снижается до десятых долей вольта.

Нечто подобное получается и в тиристоре. Через переходы П1 и П3, работающие в прямом направлении, в области, примыкающие к переходу П2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода П2. Вольт-амперная характеристика тиристора, представленная на рис. 11.2, показывает, что происходит в тиристоре при повышении приложенного к нему напряжения. Сначала ток невелик и растет медленно, что соответствует участку ОА характеристики. В этом режиме тиристор можно считать закрытым («запертым»). На сопротивление коллекторного перехода П2 влияют два взаимно противоположных процесса. С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, так как под влиянием обратного напряжения основные носители уходят в разные стороны от границы, т. е. переход П2 все больше

 Электроника. Конспект лекций

-124-

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 11.

ТИРИСТОРЫ И СИМИСТОРЫ

11.1. Структура и принцип действия тиристоров и симисторов. Характеристики и параметры.

обедняется основными носителями. Но, с другой стороны, повышение

прямых напряжений на эмиттерных переходах П2 и П3

усиливает инжекцию

носителей, которые подходят к переходу П2, обогащают его и уменьшают его

сопротивление. До точки А перевес имеет первый процесс и сопротивление

растет, но все медленнее и медленнее, так как постепенно усиливается

второй процесс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Около точки А при некотором напряжении (десятки или сотни вольт),

называемом напряжением включения Uвкл, влияние обоих процессов

уравновешивается, а затем даже ничтожно малое повышение подводимого

напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода П2

начинает уменьшаться. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого

отпирания тиристора. Этот процесс объясняется следующим образом.

 

Ток

резко,

 

скачком,

 

 

 

возрастает

(участок

АБ

на

 

Iпр, мА

 

характеристике),

 

так

как

Imax

B

 

увеличение напряжения на П1 и

 

 

 

 

П3 уменьшает сопротивление П2

60

 

 

и напряжение на нем, за счет

 

 

 

 

 

чего

еще

больше

возрастают

40

 

 

напряжения на П1 и П3, а это, в

 

 

 

 

 

свою очередь, приводит к еще

20

 

 

большему

возрастанию

тока,

Б

 

Iуд

А

уменьшению сопротивления П2

 

и т. д. В

результате

такого

Iвкл

 

 

процесса

устанавливается

Uобр

 

Uпр, B

режим, напоминающий

режим

0

Uоткр 5 10 Uвкл

насыщения

 

 

транзистора:

большой

ток

при

 

малом

0

 

 

 

 

Iобр

 

напряжении (участок БВ). Ток в

 

 

 

 

 

этом

режиме,

когда

 

прибор

Рис. 11.2. Вольт-амперная характеристика

открыт («отперт»), определяется

 

диодного тиристора

главным

 

 

 

образом

 

 

 

сопротивлением нагрузки Rн, включенной последовательно с прибором. За

счет возникшего большого тока почти все напряжение источника питания

падает на нагрузке Rн.

 

 

 

 

 

 

 

В открытом состоянии вследствие накопления больших зарядов около

перехода П2 напряжение на нем прямое, что, как известно, характерно для

коллекторного перехода в режиме насыщения. Поэтому полное напряжение

на тиристоре складывается из трех небольших прямых напряжений на

переходах и четырех также небольших падений напряжений в n- и р-

областях. Так как каждое из этих напряжений составляет доли вольта, то

общее напряжение на открытом тиристоре обычно не превышает нескольких

вольт и, следовательно, тиристор в этом состоянии имеет малое

сопротивление.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электроника. Конспект лекций

 

-125-

ЛЕКЦИЯ 11. ТИРИСТОРЫ И СИМИСТОРЫ

11.1. Структура и принцип действия тиристоров и симисторов. Характеристики и параметры.

Процесс скачкообразного переключения тиристора из закрытого состояния в открытое можно еще весьма просто объяснить математически. Из эквивалентной схемы на рис. 11.1 видно, что ток тиристора i является током первого эмиттера iэ1 или током второго эмиттера iэ2. Иначе ток i можно рассматривать как сумму двух коллекторных токов iк1 и iк2, равных соответственно α1iэ1 и α2iэ2, где α1 и α2 – коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов Т1 и Т2. Кроме того, в состав тока i входит еще начальный ток коллекторного перехода iк0. Таким образом, можно написать i = α1iэ1 + + α2iэ2 + iк0 или (учитывая, что iэ1= iэ2 = i)

i = α1i + α2i + iк0.

(11.1)

Решая это уравнение относительно i, находим

i = iк0 /(1 – ( α1 + α2)).

(11.2)

Проанализируем полученное выражение. При малых токах α1 и α 2 значительно меньше единицы, и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответствии с формулой (11.2) ток i получается сравнительно небольшим. С увеличением тока значения α1 и α2 растут, и это приводит к возрастанию тока i. При некотором токе, являющемся током включения Iвкл, сумма α1 + α2 становится равной единице и ток i возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки. Именно такое стремление тока i неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, т. е. на отпирание тиристора. Диодный тиристор характеризуется максимальным допустимым значением прямого тока Imax (точка В на рис. 11.2), при котором на приборе будет небольшое напряжение Uоткр. Если же уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом удерживающим током Iуд (точка Б), ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т. е. прибор переходит скачком обратно в закрытое состояние, соответствующее участку характеристики ОА. При обратном напряжении на тиристоре характеристика получается такой же, как для обратного тока обычных диодов, поскольку переходы П1 и П2 будут под обратным напряжением. Характерными параметрами диодных тиристоров являются также время включения tвкл, время выключения tвыкл, общая емкость Собщ, максимальные значения импульсного прямого тока Iимп.max и обратного напряжения Uобр.max. Время включения тиристоров обычно не более единиц микросекунд, а время выключения, связанное с рекомбинацией носителей, доходит до десятков микросекунд. Поэтому тиристоры могут работать только на сравнительно низких частотах. Если от одной из базовых областей сделан вывод, то получается управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно

 Электроника. Конспект лекций

-126-

ЛЕКЦИЯ 11. ТИРИСТОРЫ И СИМИСТОРЫ

11.1. Структура и принцип действия тиристоров и симисторов. Характеристики и параметры.

регулировать значение Uвкл. Чем больше ток через такой управляющий

переход Iy, тем ниже Uвкл.

Эти основные свойства триодного тиристора наглядно отражаются его вольт-амперными характеристиками, приведенными на рис. 11.3 для

различных токов управляющего электрода Iy. Чем больше этот ток, тем

сильнее инжекция носителей

 

iпр

 

 

 

 

 

от

соответствующего

 

 

 

 

 

 

эмиттера

 

к

 

среднему

 

 

 

 

 

 

 

 

коллекторному

переходу

и

 

 

 

 

 

 

 

 

тем

меньшее

 

требуется

 

 

 

 

 

 

 

 

напряжение

 

на

тиристоре,

 

 

 

 

 

 

 

 

для

того

чтобы

начался

 

 

 

 

 

 

 

 

процесс отпирания прибора.

 

 

 

 

 

 

 

 

Наиболее

высокое

Uвкл

 

 

 

 

 

 

 

 

получается

при

отсутствии

 

 

 

 

 

 

 

 

тока

 

 

управляющего

 

 

 

 

 

Iy1=0

электрода,

когда

триодный

Uобр Iy3>Iy2

 

Iy2>0

тиристор превращается

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

диодный. Наоборот, при

0

 

 

Uвкл3 Uвкл2 Uвкл1 Uпр, В

значительном

 

токе

 

Iy

 

 

характеристика

 

триодного

iобр

 

 

 

 

 

тиристора

приближается

к

Рис. 11.3. Вольт-амперные характеристики

характеристике прямого тока

обычного диода.

 

 

 

 

 

триодного тиристора

 

 

 

 

 

для разных управляющих токов

 

Простейшая

 

схема

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

включения

триодного

тирис-

 

 

 

 

 

 

 

 

тора показана на рис. 11.4. На

 

 

 

 

 

 

 

 

этой

схеме

дано

условное

 

 

 

 

 

 

 

 

графическое

 

обозначение

 

 

 

 

 

 

 

 

тиристора

с

выводом

от

 

 

 

 

 

 

 

 

р-области.

 

 

 

Подобный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тиристор

 

 

 

называют

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тиристором

с

управлением

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

по

катоду,

 

так

 

как

 

 

 

 

 

 

 

управляющим

электродом

 

Uвх

 

 

 

 

 

является базовая область р,

 

 

 

 

 

 

ближайшая

 

к

 

катодной

 

 

 

 

 

– E +

области n. При подаче

 

 

 

 

 

 

 

 

импульса

 

 

 

прямого

Рис. 11.4. Простейшая схема включения

напряжения

 

через

вывод

 

триодного тиристора с выводом от р-области

управляющего электрода

на

 

 

 

 

 

 

 

 

эмиттерный

 

 

 

переход

 

 

 

 

 

 

 

 

триодный тиристор отпирается, если, конечно, напряжения источника Е достаточно.

 Электроника. Конспект лекций

-127-

ЛЕКЦИЯ 11. ТИРИСТОРЫ И СИМИСТОРЫ

11.1. Структура и принцип действия тиристоров и симисторов. Характеристики и параметры.

Параметры у триодных тиристоров такие же, как у диодных. Добавляются лишь величины, характеризующие управляющую цепь.

Обычные триодные тиристоры не запираются с помощью управляющей цепи, и для запирания необходимо уменьшить ток в тиристоре

до значения ниже Iyд. Однако разработаны и применяются так называемые

 

 

запираемые

 

 

 

триодные

iпр

 

тиристоры,

которые

запираются

 

 

при

подаче

через

управляющий

 

 

электрод

короткого

импульса

 

 

обратного

 

напряжения

на

 

 

эмиттерный переход. Разработаны

 

 

также симметричные тиристоры,

Uобр

 

или

симисторы,

имеющие

 

структуру п–р–п–р–п или р–п–р–

 

 

0

Uпр

п–р, которые

отпираются

при

 

 

любой полярности напряжения и

 

 

проводят

ток в

оба

направления

 

 

(рис. 11.5). На рис. 11.6

 

 

изображена

 

 

 

структура

iобр

 

симметричного

тиристора.

Из

 

этого

рисунка

видно, что

при

 

 

полярности

 

 

 

напряжения,

Рис. .1.111.5.5.5.Вольт. -амперная-- ернаяхарактеристика

показанной

знаками « + » и

 

симмметричногоготиристора

 

« – » без скобок,

работает левая

 

 

половина

прибора

(направление

движения электронов обозначено стрелками).

 

 

 

 

 

 

 

 

(+)

 

 

n

 

 

(+)

 

 

n

p

 

p

 

 

 

p

n

 

 

 

 

n

 

 

 

 

n

p

 

 

 

 

p

 

 

 

 

p

n

 

 

 

 

 

n

 

 

 

+

(–)

 

 

 

+

 

(–)

 

 

а

 

 

б

 

Рис. 11.6. Структура симметричного тиристора (а) и замена симметричного тиристора двумя диодными тиристорами (б)

 Электроника. Конспект лекций

-128-

ЛЕКЦИЯ 11. ТИРИСТОРЫ И СИМИСТОРЫ

11.1. Структура и принцип действия тиристоров и симисторов. Характеристики и параметры.

Рис. 11.7. Условные графические обозначения различных тиристоров: а – диодный тиристор, б и в – незапираемые триодные тиристоры с выводом от р- и n-областей, г и д – запираемые триодные тиристоры с выводом от р- и n-областей, е – симметричный тиристор

При обратной полярности, показанной знаками в скобках, ток идет в обратном направлении через правую половину прибора. Роль симметричного тиристора могут выполнить два диодных тиристора, включенные параллельно (рис. 11.6, б). Управляемые симметричные тиристоры имеют выводы от соответствующих базовых областей.

Условные графические обозначения различных тиристоров приведены на рис. 11.7.

11.2. Применениетиристоров.

Триодные тиристоры нашли очень широкое применение в различных схемах радиоэлектроники, автоматики, промышленной электроники. Пример использования триодного (или диодного) тиристора в простейшей схеме генератора импульсного пилообразного напряжения дан на рис. 11.8. От источника Е через резистор R сравнительно медленно заряжается конденсатор С. Пока напряжение Uс на конденсаторе невелико, триодный тиристор находится в запертом состоянии. Но когда Uс станет равно напряжению включения Uвкл, тиристор отпирается, и конденсатор быстро разряжается через него, так как в открытом состоянии тиристор имеет малое сопротивление. В конце разряда конденсатора ток через тиристор снижается до значения удерживающего тока и тиристор запирается. После этого снова повторяется заряд конденсатора, затем его разряд через тиристор и т. д. График напряжения, получаемого на конденсаторе, показан на том же рис. 11.8. Ограничительный резистор Rогp включен для того, чтобы ток в тиристоре не превысил максимального значения. Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд и тем ниже частота получаемого напряжения. Его амплитуда определяется значением Uвкл и может регулироваться изменением напряжения управляющего электрода Uy. Обычно в цепь управления также включают резистор для ограничения тока.

 Электроника. Конспект лекций

-129-

ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

12.1. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора.

+

 

 

 

R

 

E

C

+

 

 

 

Rогр

– –

Uc

Uвкл

1 В

Рис. 11.8. Генератор пилообразного напряжения с тиристором

В рассмотренном генераторе форма пилообразного напряжения для многих случаев неудовлетворительна, так как нарастание напряжения происходит по экспоненте. Чтобы получить линейное нарастание напряжения, надо сделать ток заряда конденсатора постоянным. Для этого вместо резистора R можно включить транзистор по схеме с общей базой, а тогда, как известно, при изменении напряжения Uкб ток коллектора почти не изменяется.

Представляет интерес применение триодных тиристоров в генераторах синусоидальных колебаний. В таких генераторах тиристорработает как ключ и подключает с нужной частотой источник питания к колебательному контуру. Поэтому колебания в этом контуре становятся незатухающими, а сам тиристор управляется напряжением от колебательного контура. Тиристорные генераторы обладают высоким КПД, так как на самом тиристоре в открытом состоянии падение напряжения незначительно. Но вследствие инерционности процессов включения и особенно выключения тиристора подобные генераторы могут работать только на сравнительно низких частотах. Как правило, тиристоры выпускаются на большие токи и тиристорные генераторы можно построить на значительно большие мощности, нежели генераторы с транзисторами.

Помимо рассмотренных, существуют еще диодные и триодные тиристоры, проводящие ток в обратном направлении. Структура их такова, что с электродами тиристора имеют контакт не только крайние эмиттерные области, но и средние базовые. Поэтому при подаче обратного напряжения между электродами действует только одно прямое напряжение среднего перехода, т. е. тиристор будет в открытом состоянии.

 Электроника. Конспект лекций

-130-

1.4. Тиристоры

1.4.1. Принцип действия тиристора

Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояни­ями, имеющий три или более p-n-переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Традиционным типом тиристора является кремниевый управляемый вентиль (silicon сопtго11еd гесtifiег — SСR), который используется в силовых управляемых преобразователях переменного или постоянного тока частотой 50 (60) Гц. Тиристор является не полностью управляе­мым прибором. Его можно включить, т. е. перевести в проводящее состояние, сиг­налом управления, для того чтобы выключить, необходимо обеспечить спад пря­мого тока до нуля. Поэтому в отечественной технической литературе он иногда называется однооперационным тиристором. В зарубежной технической литера­туре тиристором называют кремниевый управляемый вентиль SСR, а также обыч­ным или традиционным тиристором с неполной управляемостью. Тиристор имеет четырехслойную структуру типа р-п-р-п с тремя выводами: анод А, катод С и управляющий электрод G (рис. 1.24, а, б).

а б в г

Рис. 1.24. Традиционный тиристор: а — графическое обозначение; б — четырехслойная структура; в — трехслойные структуры; г — эквивалентная схема замещения

Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур типов р- п- р и п -р- п (рис. 1.24, в), эквивалентных структурам биполярных транзисторов. Этой структуре соответствует схема замещения, состоящая из транзисторов VТ1 и VТ2. В этом случае ток анода 1А может быть выражен через обратные токи (тепловые токи коллекторных переходов) эквивалентных транзисторов VТ1 и VТ2

= ,

где и — обратные токи коллекторных переходов транзисторов VТ1 и VТ2; — ток управляющего электрода тиристора; , — коэффициенты передачи по току эквивалентных транзисторов в схеме с общей базой.

При + = 1 ток iА резко возрастает. Благодаря положительной обратной связи между током коллектора транзистора VТ1 и током базы iВ2 транзистора УТ2 возникает лавинообразное увеличение тока 1А. Увеличение тока управляющего электрода тиристора приводит к включению транзистора VТ2, увеличению тока базы iВ1 транзистора VТ1 и его включению. Это связано с наличием внутренней обратной связи. Если ток анода iА по каким-либо внешним причинам уменьшается до нуля и внутренние емкости эквивалентных транзисто­ров разрядятся, то схема не перейдет в проводящее состояние при прямом напря­жении анод-катод без подачи импульса тока 1G на управляющий электрод. Таким образом, тиристор способен выдерживать прямое и обратное напряжение, не пере­ходя в проводящее состояние. Тиристор проводит прямой ток при прямом напря­жении и импульсе тока управления. Выключение тиристора происходит после уменьшения прямого тока до нуля и восстановления его запирающей способности.

1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора

Рассмотрим выходные и входные статические ВАХ однооперационного тирис­тора. Типовая схема включения тиристора приведена на рис. 1.25, а. На рис. 1.25, б представлено семейство выходных статических ВАХ при раз­личных значениях тока управляющего электрода. Предельное прямое напряжение, которое выдерживает тиристор без его включения, имеет максимальное значение при = 0. При увеличении тока прямое напряжение снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, а выключенному — ветвь I. Процессу включения соответствует участок III ВАХ. Ток удержания Iн равен минимальному допустимому значению прямого тока анода iА, при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Зависимость тока утечки от обратного напряжения соответствует ветви IV. При превышении обратным напряжением значения uВо начинается резкое возрастание обратного тока, приводящее к пробою тиристора. Пробой может быть необрати­мым и приводить к выходу тиристора из строя. В последнем случае энергия, выде­ляющаяся в тиристоре, должна быть ограничена. В качестве нормируемых пре­дельных параметров напряжения в закрытом состоянии обычно указывают повторяющееся и неповторяющееся, прямое и обратное максимально допустимые напряжения.

Рис 1.25. Характеристики тиристора:

а – схема включения; б – выходные ВАХ; в – входные ВАХ

Повторяющееся напряжение — это напряжение, которое тиристор выдерживает без пробоя каждый период на рабочей частоте. Неповторя­ющееся напряжение — это напряжение, которое тиристор выдерживает одно­кратно с последующим длительным перерывом, необходимым для восстановления его структуры. Статические входные ВАХ, характеризующие параметры управления тиристора, представлены на рис. 1.25, в. Семейство ВАХ расположено в области, ограниченной ее значениями при максимально 1 и минимально 2 допустимой рабочей температуре тиристора. Заштрихованная область ограничена минимальными значениями тока Igmin и напряжения Ugсmах цепи управления, при которых происходит включение тиристора. Существуют также ограничения на мак­симально допустимые значения тока управления Ig mах, напряжения управления Ugmах и мощности рассеяния Рgmax.

Ограничения мощности зависят от длительности сигналов управления (кривая корот­ких импульсов управления расположена выше, а длинных — ниже кривой, соответствующей ограни­чению мощности управления для стандартных импульсов управления).

22 Ключи на тиристорах - СтудИзба

4.7 Ключи на тиристорах

Тиристоры составляют наиболее широкий класс полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением и предназначены в основном для коммутации токов и напряжений в сильноточных схемах. Большое число типов тиристоров с разнообразными характеристиками определяют многообразие ключевых и коммутирующих схем на их основе, тем не менее, общее свойство этих приборов - S-образная вольтамперная характеристика - позволяет обобщенно подходить к анализу статических и динамических свойств тиристорных ключей.

Для обеспечения работы ключа в двух устойчивых режимах его нагрузочная прямая должна пересекать вольт-амперную характеристику в трех точках (/, 2, 3) (рис. ???)) из которых положения 1 и 3 являются устойчивыми. Если при отсутствии входного сигнала приложенное к тиристору прямое напряжение не превышает UВКЛ, то ключ находится в закрытом состоянии. Однако с приближением напряжения на тиристоре к величине, равной UВКЛ, закрытое состояние оказывается неустойчивым. Более того, некоторые образцы тиристоров могут самопроизвольно отпираться при выдержке под напряжением, значительно меньшем UВКЛ, что проявляется особенно сильно с увеличением, температуры. Поэтому закрытое состояние тиристора характеризуется лишь частью напряжения UВКЛ, т. е. максимально допустимым прямым напряжением UПР.МАКС, находясь под которым прибор должен оставаться закрытым в течение всего срока службы.

Для трехэлектродных тиристоров значение UПР.МАКС можно увеличить, если зашунтировать управляющий переход или подать на него отрицательное смещение, что вызывает протекание в цепи управляющего электрода запирающего тока IУ.ОБР, причем в случае шунтирования управляющего перехода ток IУ.ОБР является частью тока анода, ответвляющейся в цепь шунта.

Сопротивление тиристорного ключа в закрытом состоянии определяется током утечки в прямом направлении IУТ, измеренным при напряжении UПР.МАКС и максимально допустимой температуре, и током IК0 центрального перехода П2. Это позволяет использовать в качестве эквивалентной схемы тиристора в закрытом состоянии сопротивление, величина которого равна RОБР, и источник тока IК0 .

Сопротивление ключа в открытом состоянии определяется остаточным напряжением UОБР, измеренным при протекании максимального прямого тока IПР.МАХ, который задается исходя из максимально допустимой мощности рассеивания на тиристоре РМАХ. Это позволяет заменить открытый тиристор эквивалентным сопротивлением RПР. величина которого равна RПР = UОСТ/ IПР.МАХ и источником напряжения UОСТ.

Переключение тиристора из закрытого состояния в открытое должно осуществляться подачей отпирающего импульса в цепь управления для трехэлектродных приборов - триодных (ТТ) и запираемых (ЗТ) тиристоров или в цепь анод-катод для диодных тиристоров (ДТ). Между амплитудой импульса UВКЛ.ИМП, переключающего ДТ в открытое состояние, которую в соответствии со справочными обозначениями, принятыми для диодных тиристоров, будем обозначать UПУСК, и статическим значением UВКЛ не существует корреляционного соответствия. Амплитуда UПУСК в основном зависит от длительности фронта импульса отпирающего напряжения на аноде тиристора tФ, емкости участка анод-катод закрытого диодного тиристора CДТ CП2 где CП2 - емкость центрального р-n перехода, а следовательно, и от внутреннего сопротивления генератора отпирающих импульсов RВН.

Для отпирания импульсного ключа, выполненного на трехэлектродном приборе (ТТ или ЗТ), и запирания ключа на ЗТ необходимо обеспечить протекание определенного импульса тока в цепи управления тиристора. Амплитуда этого импульса, прежде всего, зависит от его длительности, а при запирании - и от величины прямого тока анода IПР, протекающего через открытый тиристор.

Рекомендуемые файлы

Одним из основных параметров, характеризующих процесс отпирания трехэлектродных тиристоров, является импульсный ток спрямления IСПР, под которым следует понимать минимальную амплитуду положительного импульса тока управления заданной длительности, переключающего тиристор в открытое состояние при определенном напряжении на аноде.

Поскольку импульсный ток управления IУ.ОБР запирающий тиристор, зависит от тока анода IПР, то управляемость запираемого тиристора характеризуется импульсным коэффициентом запирания BЗАП = IПР/IЗАП (при IУ.ОБР = IЗАП тиристор запирается).

Длительность процесса отпирания характеризуется временем задержки tЗ (ток анода возрастает до 0,1 IПР) и временем установления прямого сопротивления tУСТ (ток анода изменяется от 0, IПР до 0,9 IПР), которые в сумме составляют время включения tВКЛ, а длительность процесса запирания характеризуется временем запаздывания tЗП(ток анода уменьшается до 0,9 IПР) и временем спада tСП (ток анода изменяется от 0,9 IПР до 0,1 IПР), которые в сумме составляют время запирания tЗАП.

Время переключения тиристорного ключа, несмотря на действие сильной внутренней положительной обратной связи составляет существенно большую величину, чем аналогичный параметр у транзисторных ключей. Это объясняется режимом глубокого насыщения p-n-p-n - структуры и связанным с ним накоплением и рассасыванием большого объемного заряда. Из-за этого время включения тиристора составляет единицы микросекунд, а выключения - десятки и сотни микросекунд, уменьшаясь у высокочастотных тиристоров и тиристоров, прямой ток которых существенно меньше максимально допустимого.

Заметим, что при активно-индуктивном характере нагрузки тиристорного ключа нарастание прямого тока определяется не только и не столько инерционностью самого прибора, сколько постоянной времени нагрузки. Для таких ключей длительность управляющих импульсов выбирается не только по минимально заданным справочным данным, но и в зависимости от постоянной времени нагрузки, учитывая, что в течении длительности импульса управления прямой ток должен успеть превысить величину IВЫКЛ.

 К числу параметров, характеризующих отпирание тиристорного ключа, следует отнести и максимально допустимую скорость нарастания анодного тока (dIПР/dt)MAX. Ограничение скорости (dIПР/dt) сверху обусловлено влиянием неодномерных явлений на процесс отпирания тиристора и оказывается особенно сильным в режимах, когда амплитуда импульса прямого тока IПР.ИМП >> IПР.МАХ. Значения (dIПР/dt) иIПР.ИМП.МАХ. зависят от длительности импульсов прямого тока и частоты их следования.

Построение и расчет цепей отпирания, выключения и запирания тиристорных ключей являются первоочередными задачами, которые приходится решать при проектировании тиристорных устройств. При этом под выключением тиристоров понимается их выключение пo анодной цепи, а под запиранием - выключение по цепи управляющего электрода.

Анализ цепей отпирания. Цепь отпирания должна обеспечить включение от импульса сигнала управления, защиту тиристора от отпирающего импульса помехи и запас по минимально допустимому режиму входной цепи прибора. Эти требования необходимо удовлетворить в заданном диапазоне внешних, например, температурных, воздействий для любого тиристора выбранного типа.

Для обеспечения гарантированного включения тиристора и исключения его срабатывания от сигнала помехи UПОМ необходимо удовлетворить неравенства

                                                               (4.7.1)

                                                       (4.7.2)

 где UПОМ.У и IПОМ.У - допустимые значения напряжения и тока помехи, действующей в управляющей цепи.

В случае индуктивного характера нагрузки (рис. 4.7.1-а) длительность импульса управления необходимо увеличить до значения

                                

где IПР - установившееся значение тока нагрузки; - постоянна» времени цепи нагрузки; τН = LН/RН; tВКЛ - длительность импульса управления при чисто активной нагрузке.

Для уменьшения длительности управляющих импульсов индуктивную нагрузку целесообразно шунтировать активным сопротивлением или последовательной RС-цепью (рис. 4.7.1-б и -в), параметры которых для схемы рис. 4.7.1, а выбираются из условия

                                    

а для схемы рис. 4.7.1.

                      ;

Применение резистивно-емкостного шунта уменьшает потери мощности по сравнению с чисто резистивным шунтом, однако при

                               


 в схеме могут возникнуть колебательные процессы.Основные схемы цепей отпирания ключей на тиристорах показаны на рис. 4.7.2. Включение диода в управляющую цепь тиристора (рис. 4.7.2, -а и -б) исключает протекание обратного тока через управляющий переход, что не допускается для обычных триодных тиристоров, а включение RШ повышает устойчивость тиристоров против самопроизвольного включения В схеме (рис. 4.7.2-б) роль сопротивления шунта играет малое по постоянному току сопротивление выходной обмотки трансформатора. Включение разделительной емкости CР в схеме рис. 4.7.2-в позволяет сформировать управляющий импульс с формой, близкой к оптимальной, т. е. крутым и большим по амплитуде передним фронтом и экспоненциально убывающей вершиной.

Схемы цепей отпирания ключей на диодных тиристорах приведены на рис. 4.7.2 г-е. При подаче короткого импульса положительной (рис 4.7.2-г) или отрицательной (рис. 4.7.2-д) полярности в цепи анод - катод тиристора через емкость центрального перехода CП2 = CSпротекает ток, который обеспечивает накопление в базах S заряда QВКЛ, необходимого для отпирания прибора. Диод D1 увеличивает входное сопротивление схемы. Для отпирания S в схеме рис. 4.7.2-д должны выполняться неравенства

                          и

а в схеме рис. 4.7.2 -г и д - неравенства

                             и

где tФ.МАХ - максимальная длительность фронта входного импульса CS - емкость тиристора.

Анализ цепей выключения. Для выключения тиристора по аноду необходимо уменьшить протекающий через тиристор ток до величины меньшей IВЫКЛ.MIN, на время большее tВЫКЛ. В цепях постоянного тока эта задача решается с помощью транзисторного ключа или коммутирующих реактивных элементов

Схемы выключения тиристорного ключа с последовательным и параллельным транзисторами показаны на рис. 4.7.3 –а и -б. Последовательный

транзистор, запираясь оложительным импульсом, прерывает протекание тока через тиристор на время tИ > tВЫКЛ. Дополнительное подключение Е0 повышает надежность выключения, компенсируя ток IК0 закрытого транзистора, и способствует повышению скорости рассасывания объемного заряда и, тем самым, уменьшает время выключения тиристора.

В схеме с параллельным транзистором при его отпирании основная часть анодного тока тиристора ответвляется через транзистор, прямой ток тиристора уменьшается ниже IВЫКЛ.MIN и тиристор запирается. Для повышения надежности запирания последовательно с тиристором можно включить диод D, который увеличивает остаточное напряжение и сопротивление шунтируемой транзистором цепи и тем самым уменьшает протекающий в ней при открытом транзисторе ток.

Поскольку в тиристорных ключах с транзисторными схемами выключения рассасывание накопленного в структуре заряда происходит только за счет процессов рекомбинации, то время выключения тиристоров затягивается, а амплитуды коммутируемых токов и напряжений, определяемые характеристиками транзисторов, ограничивают область применения тиристорных ключей. Такие схемы выключения применяются только для маломощных тиристоров.


Более широко в импульсной технике используются схемы выключения с помощью заряженного конденсатора и вспомогательного тиристора. Суть работы этих схем выключения заключается в том, что предварительно заряженный конденсатор с помощью вспомогательного тиристора подключается к основному тиристору таким образом, что ток его разряда направлен навстречу прямому току основного тиристора, что обеспечивает его форсированное запирание. Коммутирующий конденсатор С может быть подключен с помощью вспомогательного тиристора S2 параллельно основному тиристору S1 (рис. 4.7.4 –а-в), параллельно нагрузке (рис. 4.7.5 -г и д) или к соединенным последовательно тиристору S1 и нагрузке (рис. 4.7.4-е). Соответственно различают параллельную (рис. 4.7.4, а-д) и последовательную (рис. 4.7.4 -е) коммутации.


Параметры коммутирующей емкости С и дросселя L рассчитывают исходя из условия, при котором на основном тиристоре за время перезаряда конденсатора до нуля сохраняется обратное напряжение течение отрезка времени длительностью не меньше tВЫКЛ. Заряд конденсаторов С обеспечивается специальной зарядной цепью, которая на рис. 4.7.4-б-е не показана.

Для формирования мощных коротких импульсов используется выключение тиристоров с помощью последовательного LC-контура. Основное преимущество способа заключается в простоте коммутирующих цепей (рис. 4.7.5), не содержащих вспомогательных тиристоров и зарядных цепей. Для выключения тиристора с помощью LC-контура ударного возбуждения при R < Е/ IВЫКЛ прежде всего необходимо, чтобы конденсатор разряжался (рис. 4.7.5- а и б) или заряжался (рис. 4.7.6-в) по колебательному закону и при этом выполнялось условие

                                       

где I1 - значение первого отрицательного экстремума переменной составляющей тока, протекающего через индуктивность контура; R1 - сопротивление, учитывающее омическое сопротивление катушки и нагрузки.

В схеме рис. 4.7.5 -а после отпирания тиристора S и изменения направления тока, протекающего через индуктивность контура, открывается диод D. К тиристору в течение времени ∆t (пока открыт диод D и ток контура С - R1 - L - D превышает ток, равный E/(R+R1)) прикладывается обратное напряжение. Значения L и С можно рассчитать по формулам

                              

Коммутирующая цепь рис. 4.7.5-а позволяет построить схемы формирователей импульсов длительностью tИ > tВЫКЛ. Для формирования мощных коротких импульсов длительностью tИ < tВЫКЛ можно использовать схемы рис. 4.7.5-б и в. В этой схеме коммутационный ток контура протекает через тиристор S в запирающем направлении, что форсирует процесс его запирания.

Анализ цепей запирания. Существует два вида цепей запирания ключей на запираемых тиристорах: с накопителем и без накопителей энергии.

Цепи с накопителем энергии представлены на рис. 4.7.6. В этих схемах включение (рис. 4.7.6 -а) или отключение (рис. 4.7.6 -б) ключа SA приводит к разряду энергии, накопленной в конденсаторе или индуктивности, в направлении, запирающем тиристор S. Схемы включения тиристора для простоты не показаны. Параметры элементов запирающей цепи выбираются из условия:

                            

                     

для схемы рис. 4.7.6 -б

                            ;

                                 

Цепи запирания, не содержащие накопителей энергии, благодаря простоте, малым размерам и массе, а также высокому быстродействию могут наиболее успешно использоваться при построении тиристорных ключей на запираемых тиристорах.

Принцип запирания S без накопителей энергии показан на рис. 4.7.7-а. Запирание тиристора S, включенного ранее положительным импульсом через диод D при разомкнутом ключе SA, осуществляется замыканием ключа SA. При этом через управляющую цепь протекает обратный ток IУ.ОБР, величина которого, согласно упрощенной эквивалентной схеме (рис.


4.7.7-б), равна

Люди также интересуются этой лекцией: 7 Субъекты авторского права.

                                   

Если соблюдается условие IУ.ОБР ≥ IПР/BЗАП то тиристор закрывается. Минимальная величина RН, при которой можно использовать этот метод, имеет место при RБ = 0 и может быть найдена из соотношения

                                 (4.7.3)

В качестве ключа SA можно использовать маломощные транзистор или тиристор (рис. 4.7.8).


В отсутствии запирающего сигнала UЗАП транзистор T и тиристор S2 заперты, а тиристор S1 может быть включен сигналом UОТП . При поступлении сигнала UЗАП ключ в запирающей цепи открывается, пропуская через себя ток запирания S1. В схеме 4.7.8 -в, где используется разделенная нагрузка, величина сопротивления RН2 может быть выбрана из условия (4.7.3) при RН = RН2.

Симистор (триак) - описание, принцип работы, свойства и характеристики

Справочные данные популярных отечественные симисторов и зарубежных
триаков. Простейшие схемы симисторных регуляторов мощности.

Ну что ж! На предыдущей странице мы достаточно плотно обсудили свойства и характеристики полупроводникового прибора под названием тиристор, неуважительно обозвали его "довольно архаичным", пришло время выдвигать внятную альтернативу.
Симистор пришёл на смену рабочей лошадке-тиристору и практически полностью заменил его в электроцепях переменного тока.
История создания симистора также не нова и приходится на 1960-е годы, причём изобретён и запатентован он был в СССР группой товарищей из Мордовского радиотехнического института.

Итак:
Симистор, он же триак, он же симметричный триодный тиристор - это полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристора, но, в отличие от него, способный пропускать ток в двух направлениях и используемый для коммутации нагрузки в цепях переменного тока.

Рис.1

На Рис.1 слева направо приведены: топологическая структура симистора, далее расхожая, но весьма условная, эквивалентная схема, выполненная на двух тиристорах и, наконец, изображение симистора на принципиальных схемах.
МТ1 и МТ2 - это силовые выводы, которые могут обозначаться, как Т1&Т2; ТЕ1&ТЕ2; А1&А2; катод&анод. Управляющий электрод, как правило, обозначается латинской G либо русской У.

Глядя на эквивалентную схему, может возникнуть иллюзия, что симистор относительно горизонтальной оси является элементом абсолютно симметричным, что даёт возможность как угодно крутить его вокруг управляющего электрода. Это не верно!!!
Точно так же, как у тиристора, напряжение на управляющий электрод симистора должно подаваться относительно условного катода (МТ1, Т1, ТЕ1, А1).
Иногда производитель может обозначать цифрой 1 "анодный" вывод, цифрой 2 - "катодный", поэтому всегда важно придерживаться обозначений, приведённых в паспортных характеристиках на прибор.

Полярность открывающего напряжения должна быть либо отрицательной для обеих полярностей напряжения на условном аноде, либо совпадать с полярностью "анодного" напряжения (т.е. быть плюсовой в момент прохождения положительной полуволны и минусовой - в момент прохождения отрицательной).

Приведём вольт-амперную характеристику тиристора и схему, реализующую самый простой способ управления симисторами - подачу на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (Рис.2).


Рис.2

Огромным плюсом симистора перед тиристором является возможность в штатном режиме работать с разнополярными полупериодами сетевого напряжения. Вольт-амперная характеристика является симметричной, надобности в выпрямительном мосте - никакой, схема получается проще, но главное - исключается элемент (выпрямитель), на котором вхолостую рассеивается около 50% мощности.

Давайте рассмотрим работу симистора при подаче на его управляющий вход постоянного тока отрицательной полярности (Рис.2 справа), ведь мы помним, что именно такая полярность открывающего напряжения является универсальной и для положительных, и для отрицательных полупериодов напряжения сети. На самом деле, всё происходит абсолютно аналогично описанной на предыдущей странице работе тиристора.
Повторим пройденный материал.

1. Для начала рассмотрим случай, когда управляющий электрод симистора отключен (S1 на схеме разомкнут, Iу на ВАХ равен 0). Тока через нагрузку нет (участки III на ВАХ), симистор закрыт, и для того, чтобы его открыть, необходимо поднять напряжение на "аноде" симистора настолько, чтобы возник лавинный пробой p-n-переходов полупроводника.
Оговоримся - зафиксировать нам этот процесс не удастся, потому что величина этого напряжения составляет несколько сотен вольт и, как правило, превышает амплитудное значение напряжения сети.
Тем не менее - при достижении этого уровня напряжения (точки II на ВАХ) симистор отпирается, падение напряжения между силовыми выводами падает до единиц вольт, нагрузка подключается к сети - наступает рабочий режим открытого симистора (участки I на ВАХ).
Чтобы закрыть симистор, нужно снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на "аноде") ниже тока удержания.

2. Для того чтобы снизить величину напряжения включения симистора, следует замкнуть S1 и, тем самым, подать на управляющий электрод ток, задаваемый значением переменного резистора R1. Чем больше ток Iу, тем при меньшем анодном напряжении происходит переключение симистора в проводящее состояние.
А при какой-то величине тока управляющего электрода, называемой током спрямления (на ВАХ не показано), горба на характеристике вообще не будет, и напряжение открывания симистора составит незначительную величину, исчисляемую единицами вольт.
Абсолютно так же, как и в прошлом пункте, чтобы закрыть симистор, необходимо снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на "аноде") ниже значения тока удержания.

То бишь - всё полностью аналогично тиристору. Для открывания симистора следует подать на управляющий электрод прибора постоянный ток с величиной, необходимой для его включения, для закрывания - снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на "аноде") ниже значения тока удержания.
Т.е. в нашем случае, представленном на Рис.2 - симистор будет открываться при замыкании S1 в каждый момент превышения "анодным" напряжением некоторого значения, зависящего от номинала R1, а закрываться с каждым полупериодом сетевого напряжения в момент приближения его уровня к нулевому значению.

Описанный выше способ управления симистором посредством подачи на управляющий электрод постоянного напряжения обладает существенным недостатком - требуется довольно большой ток (а соответственно и мощность) управляющего сигнала (по паспорту - до 250мА для КУ208). Поэтому в большинстве случаев для управления симисторами используется импульсный метод, либо метод, при котором открытый симистор шунтирует цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на её элементах.

В качестве примера рассмотрим простейшую, но вполне себе работоспособную схему симисторного регулятора мощности, позволяющего работать с нагрузками вплоть до 2000 Вт.


Рис.3

Как можно увидеть, на схеме помимо симистора VS2 присутствует малопонятный элемент VS1 - динистор. Для интересующихся отмечу - на странице ссылка на страницу мы подробно обсудили принцип работы, свойства и характеристики приборов данного типа.

А теперь - как это всё работает?
В начале действия положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через последовательно соединённые резисторы R1 и R2. Причём увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстаёт (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления резисторов и номинала ёмкости С1. Чем выше значения резисторов и конденсатора - тем больше сдвиг по фазе.
Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет порога пробоя динистора (около 35 В). Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечёт ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого симистора и нагрузки.
При этом симистор остаётся открытым до конца полупериода, т.е. момента, когда полуволна сетевого напряжения приблизится к нулевому уровню.
Переменным резистором R2 устанавливают момент открывания динистора и симистора, производя тем самым регулировку мощности, подводимой к нагрузке.

При действии отрицательной полуволны принцип работы устройства аналогичен.

Диаграммы напряжения на нагрузке при различных значениях переменного резистора приведены на Рис.3 справа.

Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных переходными процессами в индуктивных нагрузках (например, в электродвигателях), симисторы должны иметь дополнительные компоненты защиты. Это, как правило, демпферная RC-цепочка (снабберная цепь) между силовыми электродами триака, которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (на схеме Рис.3 показана синим цветом).
В некоторых случаях, когда нагрузка имеет ярко выраженный ёмкостной характер, между силовыми электродами необходима индуктивность для ограничения скорости изменения тока при коммутации.

А под занавес приведём основные характеристики отечественных симисторов и зарубежных триаков.

  Тип    U макс, В     I max, А     Iу отп, мА  
  КУ208Г      400     5    
  BT 131-600      600     1    
  BT 134-500      500     4    
  BT 134-600      600     4    
  BT 134-600D      600     4    
  BT 136-500Е      500     4    
  BT 136-600Е      600     4    
  BT 137-600Е      600     8    
  BT 138-600      600     12    
  BT 138-800      800     12    
  BT 139-500      500     16    
  BT 139-600      600     16    
  BT 139-800      800     16    
  BTA 140-600      600     25    
  BTF 140-800      800     25    
  BT 151-650R      650     12    
  BT 151-800R      800     12    
  BT 169D      400     12    
  BTA/BTB 04-600S      600     4    
  BTA/BTB 06-600C      600     6    
  BTA/BTB 08-600B      600     8    
  BTA/BTB 08-600C      600     8    
  BTA/BTB 10-600B      600     10    
  BTA/BTB 12-600B      600     12    
  BTA/BTB 12-600C      600     12    
  BTA/BTB 12-800B      800     12    
  BTA/BTB 12-800C      800     12    
  BTA/BTB 16-600B      600     16    
  BTA/BTB 16-600C      600     16    
  BTA/BTB 16-600S      600     16    
  BTA/BTB 16-800B      800     16    
  BTA/BTB 16-800S      800     16    
  BTA/BTB 24-600B      600     25    
  BTA/BTB 24-600C      600     25    
  BTA/BTB 24-800B      800     25    
  BTA/BTB 25-600В      600     25    
  BTA/BTB 26-600A      600     25    
  BTA/BTB 26-600B      600     25    
  BTA/BTB 26-700B      700     25    
  BTA/BTB 26-800B      800     25    
  BTA/BTB 40-600B      600     40    
  BTA/BTB 40-800B      800     40    
  BTA/BTB 41-600B      600     41    
  BTA/BTB 41-800B      800     41    
  MAC8M      600     8    
  MAC8N      800     8    
  MAC9M      600     9    
  MAC9N      800     9    
  MAC12M      600     12    
  MAC12N      800     12    
  MAC15M      600     15    
  MAC12N      800     15    

Симисторы с обозначение BTA отличаются от других наличием изолированного корпуса.
Падение напряжения на открытом симисторе составляет примерно 1-2 В и мало зависит от протекающего тока.

 

Выпрямители с кремниевым управлением (SCR) [Analog Devices Wiki]

Цель:

Целью этой лабораторной работы является изучение структуры и работы кремниевого контроллера. Выпрямитель или SCR. SCR в основном используются в устройствах, где управление высокой мощностью, возможно, на высокой напряжение, необходимо. Возможность включения и выключения больших токов делает SCR пригодным для использования в приложения для управления питанием переменного тока от среднего до высокого напряжения, такие как регулировка яркости ламп, регуляторы и двигатель контроль.Кроме того, непреднамеренные SCR могут образовываться в интегральных схемах, и когда эти SCR становятся сработавшая неисправность цепи или даже проблемы с надежностью и повреждение.

Фон:

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) представляет собой четырехслойное твердотельное устройство управления током с 3 терминалы. У них есть анодные и катодные выводы, как у обычного диода, и третий вывод управления, именуется воротами. SCR - это однонаправленные устройства, т.е. они проводят ток только в одном направление как диод или выпрямитель.SCR срабатывают только токами, идущими в затвор. SCR сочетает в себе выпрямительные свойства диодов и функции управления включением-выключением транзисторов.

SCR обычно используются в приложениях переключения мощности. В обычном выключенном состоянии устройство ограничивает текущий поток к току утечки. Когда ток между затвором и катодом превышает определенный порог, устройство включается и проводит ток. SCR останется во включенном состоянии даже после того, как ток затвора будет удаляется до тех пор, пока ток через устройство превышает ток удержания.Как только ток падает ниже удерживающего тока в течение определенного периода времени, устройство выключится. Если вентиль импульсный и ток через устройство ниже тока фиксации, устройство останется в выключенном состоянии.

Глядя на рисунок 1 (а), четырехуровневую структуру SCR, мы видим три вывода, один из внешний слой p-типа, называемый анодом A, второй из внешнего слоя n-типа, называемый катодом K и третий от базы нижней части NPN-транзистора и называется затвором G.

Рисунок 1 Эквивалентная схема SCR

SCR, как показано на рисунке 1 (b), можно представить как разделенный на два транзистора. Эквивалент Схема SCR состоит из транзистора PNP и транзистора NPN, соединенных между собой, как показано на рисунок 1c. Мы видим, что коллектор каждого транзистора соединен с базой другого, образуя петля положительной обратной связи.

SCR имеет два стабильных состояния. Первое - это непроводящее состояние ВЫКЛ.С открытым терминалом ворот Давайте сначала предположим, что ток не течет на клемму базы NPN-транзистора Q 2 . При нулевом базовом токе ток коллектора Q 2 также будет равен нулю. Учитывая нулевой коллектор для Q 2 мы делаем вывод, что из базы PNP-транзистора должен течь нулевой ток. Вопрос 1 . Учитывая нулевой базовый ток в Q 1 , мы делаем вывод, что коллектор должен быть нулевым. ток в Q 1 . Это согласуется с нашим исходным предположением о нулевом токе в основании Вопрос 2 .С нулевым током коллектора (и нулевым током базы) как в Q 1 , так и в Q 2 , мы можем сделать вывод, что в любом из транзисторов также не должно быть эмиттерного тока. Этот Состояние ВЫКЛ с нулевым током является стабильным до тех пор, пока любой ток утечки через Q 1 или Q 2 от эмиттера до коллектора очень мало.

Второе стабильное состояние - это проводящее состояние ВКЛ. Мы можем переключить или переключить SCR из ВЫКЛ. в состояние ВКЛ. путем подачи небольшого тока на клемму затвора.Пройдя через то же самое процедуры вокруг цикла, который мы только что сделали для выключенного состояния, мы можем видеть, что как только базовый ток подаваемый на Q 2 , будет увеличиваться ток коллектора (ß NPN , умноженный на базовый ток). начать течь. Этот ток коллектора Q 2 становится базовым током для Q 1 . Эта база ток в Q 1 снова производит больший ток коллектора (ß PNP раз больше базового текущая) в Q 1 . Коллекторный ток Q 1 возвращается в базу Q 2 еще больше увеличивает базовый ток.Как только этот контур обратной связи по току установлен начальный ток затвора может быть удален, и тиристор будет оставаться в проводящем состоянии включения до тех пор, пока поскольку внешняя цепь вокруг SCR подает ток через SCR. Единственный способ выключить SCR предназначен для падения тока ниже критического уровня «удерживающего» тока.

Следует отметить, что этот контур положительной обратной связи будет удерживать SCR включенным и оставаться в нем. это зафиксированное состояние, если верно следующее:

ß PNP * ß NPN ⇒ 1

Падение напряжения на SCR от клеммы A до K , когда SCR проводит ток, составляет сумму Q 1VBE и Q 2VCESAT параллельно с суммой Q 2VBE и Вопрос 1VCESAT .Мы знаем, что ß устройств BJT падает при перемещении коллекторного базового перехода вперед. смещен в область насыщения, т.е. В CE менее В BE . Модель V CE два транзистора будут опускаться до тех пор, пока не будет удовлетворено указанное выше уравнение усиления положительной обратной связи и ß PNP * ß NPN равно 1.

Также важно отметить, что ß транзисторов BJT очень низок для очень малых значений ток коллектора и из приведенного выше уравнения, тиристор будет оставаться в выключенном состоянии, пока ток утечки настолько мал, что ß PNP * ß NPN меньше 1 при этой низкой утечке текущий уровень.

В комплект аналоговых деталей ADALP2000 не входит SCR, но мы можем эмулировать его, построив эквивалентную схему. показано на рисунке 1 © от дискретных транзисторов PNP и NPN.

Материалы:

ADALM2000 Active Learning Module
Макетная плата без пайки
Резисторы 2 - 1 кОм
2 - Резисторы 100 кОм
1 - Конденсатор 0,1 мкФ (с маркировкой 104)
1 - малосигнальный транзистор NPN (2N3904)
1 - транзистор PNP с малым сигналом (2N3906 )

Направление:

Постройте модель эквивалентной схемы SCR, как показано на рисунке 2, на своей беспаечной макетной плате.

Рисунок 2 Схема для эмуляции SCR

Два резистора 100 кОм, R 1 , R 2 , помещаются поперек соответствующих В BE каждого транзистора, чтобы гарантировать, что любые небольшие токи утечки не вызывают самопроизвольного срабатывания моделируемого тиристора. Резистор R 3 преобразует импульс напряжения от AWG2 в ток срабатывания.

Настройка оборудования:

AWG1 должен быть настроен как синусоидальный сигнал с амплитудой 10 В, полный размах , нулевым смещением и частотой 100 Гц.AWG2 должен быть сконфигурирован как прямоугольный сигнал с амплитудой 800 мВ от пика до пика, смещение 400 мВ , частота 100 Гц. Убедитесь, что два канала AWG запущены синхронно.

Рисунок 3 Соединения макетной платы схемы для имитации SCR

Процедура:

Запустите осциллограф на канале 1. Наблюдая за входной синусоидальной волной на канале 1 осциллографа и напряжением. через R L на канале 2 осциллографа отрегулируйте фазу AWG2 с шагом от 180 ° до 360 °.В зависимости от на настройке фазы AWG2 вы должны увидеть что-то похожее на рисунки ниже. Вы заметите что напряжение на R L равно нулю, тиристор в выключенном состоянии до тех пор, пока запускающий импульс от AWG2 происходит, и SCR остается во включенном состоянии до тех пор, пока входное синусоидальное напряжение не пересечет ноль.

Рисунок 4 Пример сигналов

Рисунок 5 Пример осциллограмм Scopy

Измерьте и сообщите о падении напряжения на тиристоре, когда он находится во включенном состоянии и проводит ток.Как это напряжение сравнивается с обычным диодом с PN переходом?

Найдите минимальное импульсное напряжение (амплитуду) над землей, которое запустит SCR, регулируя AWG2. Оцените минимальный ток срабатывания на основе этого напряжения, R 3 и В BE Q 2 . Объясни свой результат.

Попробуйте использовать большие (1 МОм) и меньшие (10 кОм) значения для R 1 и R 2 . Как это изменит минимальное напряжение срабатывания?

Заменить резистор R 3 на 0.Конденсатор 1 мкФ. Этот конденсатор связи действует как дифференциатор превращая прямоугольный импульс на выходе AWG в узкие положительные и отрицательные всплески тока на нарастающие и спадающие фронты прямоугольной волны. Как это влияет, когда и как срабатывает SCR?

Вопросы:

  1. Чем тиристор отличается от обычного выпрямительного диода?

  2. Изобразите характеристики V, -I SCR. Что вы можете сделать из них?
  3. Почему SCR всегда включается током в затвор?

  4. Почему нельзя использовать тиристор в качестве двунаправленного переключателя тока?

  5. Как SCR регулирует мощность, подаваемую на нагрузку?

  6. Почему тиристоры в основном используются в цепях переменного тока?

Если доступен источник меньших (слаботочных) тиристоров, вы можете повторить эксперимент с реальным устройство, а не эмуляцию нашей эквивалентной схемы.

Непреднамеренные паразитные тринисторы в интегральных схемах

Мы исследовали приложения для SCR, которые намеренно используют его характеристики. К сожалению, непреднамеренные SCR могут образовываться в интегральных схемах, и если эти паразитные SCR сработавшая неисправность цепи может привести или даже к проблемам с надежностью и повреждению встроенного схема.

ЗАДВИЖКА

Блокировка - это потенциально деструктивная ситуация, при которой срабатывает паразитный SCR, замыкая положительные и отрицательные поставки вместе.Если ток не ограничен, электрическое перенапряжение будет происходить. Классический случай фиксации происходит в устройствах вывода CMOS, в которых транзисторы драйвера и ямы образуют четырехслойную структуру PNPN SCR, когда один из двух паразитных переходов база-эмиттер кратковременное смещение вперед во время сбоя из-за перенапряжения. SCR включается и по существу вызывает короткое замыкание между источником питания В DD и массой.

Поскольку все эти МОП-устройства расположены близко друг к другу на монолитном кристалле, с соответствующими внешними При возбуждении могут включиться паразитные устройства SCR, что характерно для плохо спроектированных схем КМОП.На рис. 4 в упрощенном виде показано поперечное сечение двух транзисторов, одного PMOS и одного NMOS; эти могут быть соединены вместе как логические вентили или как аналоговый усилитель или переключатель. Паразитарный биполярный транзисторы, отвечающие за фиксацию, Q 1 (вертикальный PNP) и Q 2 (боковой NPN), как указано.

Рисунок 6 Поперечное сечение устройств PMOS и NMOS с паразитными транзисторами Q 1 и Q 2

Надлежащие методы проектирования для уменьшения возможности образования SCR включают увеличение расстояния между Устройства NMOS и PMOS и вставка высоколегированных областей между Нвеллом и Пуэллсом.Оба такие подходы к компоновке пытаются снизить ß либо вертикального PNP, либо бокового NPN. паразитных биполярных транзисторов меньше 1. Некоторые из этих методов также имеют тенденцию снижать сопротивление R PWELL и R NWELL , которые увеличивают минимальный ток срабатывания, необходимый для включения SCR.

Для дальнейшего чтения:

http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon-controlled_rectifier

Электрические повреждения стандартных линейных интегральных схем

Победа в битве против фиксации аналоговых переключателей CMOS

Вернуться к содержанию лабораторных занятий.

Конструкция

, эквивалентная схема и приложение

В этой статье мы обсудим следующее: - 1. Конструкция SCR 2. SCR в качестве переключателя 3. SCR в нормальном режиме работы 4. Эквивалентная схема 5. Применение.

Кремниевый выпрямитель (SCR) - это полупроводниковое устройство, которое действует как электронный переключатель. Выпрямитель с кремниевым управлением может преобразовывать переменный ток в постоянный, а также управлять мощностью, подаваемой на нагрузку.Таким образом, в некотором смысле он сочетает в себе функции как выпрямителя, так и транзистора.

Состав:

  1. Строительство SCR
  2. SCR как переключатель
  3. SCR в нормальном режиме работы
  4. Эквивалентная схема SCR
  5. Применение SCR

1. Строительство SCR:

Если к переходному транзистору добавлен переход P-N, то полученное устройство P-N перехода называется кремниевым выпрямителем.Конструкция SCR показана на рис. 10.1 (a), а на рис. 10.1 (b) показано его символическое представление. Это комбинация выпрямителя (P-N) и переходного транзистора (N-P-N) в одном блоке, чтобы сформировать устройство P-N-P-N.

Есть три вывода: один из внешнего материала P-типа называется анодом (A), второй из внешнего материала N-типа называется катодом (K), а третий из основания секции транзистора является затвором ( ГРАММ). Анод поддерживается под высоким положительным потенциалом по отношению к катоду, в то время как затвор удерживается под небольшим положительным потенциалом по отношению к катоду.

SCR - это твердотельный эквивалент тиратрона. Анод, затвор и катод SCR соответствуют пластине, кольцу и катоду тиратрона, поэтому SCR также называют тиристором.


2. SCR как коммутатор

:

Выпрямитель с кремниевым управлением имеет только два состояния:

(i) состояние ВКЛ и

(ii) Состояние ВЫКЛ.

Если пропускается соответствующее значение тока затвора, тиристор начинает сильно проводить и остается в этом положении в течение неопределенного периода времени, даже если напряжение затвора снимается.Это состояние ВКЛ SCR. Но если анодный ток снижается до тока удержания, SCR выключается. Таким образом, он ведет себя как переключатель, будучи электронным устройством, можно назвать электронным переключателем.

Использование SCR в качестве переключателя дает несколько преимуществ перед механическим или электромеханическим переключателем:

и. Его скорость переключения завышена до 10 9 операций в секунду.

ii. Благодаря небольшому току затвора в несколько миллиампер он позволяет контролировать большой ток (от 30 до 100 А).

iii. Поскольку у него нет движущихся частей, он может обеспечить бесшумную работу.

iv. Его размер невелик и может обеспечить бесперебойную работу.


3. SCR в нормальном режиме работы

:

Для нормальной работы кремниевого выпрямителя необходимо учитывать некоторые моменты, как указано ниже:

(a) Как правило, напряжение питания намного меньше напряжения отключения.

(b) Если ток затвора превышает требуемое значение, тиристор закроется при очень пониженном напряжении питания.

(c) При обходе соответствующей величины тока, скажем, несколько мкА, тиристор включается, а не под действием напряжения отключения.

(d) Чтобы выключить тиристор из включенного состояния, анодный ток должен быть уменьшен до тока удержания.

(e) Если SCR работает от сети переменного тока. питания, то следует позаботиться о том, чтобы пиковое обратное напряжение, возникающее во время отрицательного полупериода, не превышало обратного напряжения пробоя.

Операция:

Нагрузка в SCR подключена последовательно с анодом, который всегда имеет положительный потенциал по отношению к катоду.

Работа SCR может быть объяснена рассмотрением следующих двух случаев:

и. Когда ворота открыты:

Принципиальная схема с открытым затвором, т.е. когда на затвор не подается напряжение, показана на рис. 10.2. В этом случае переход J 2 смещен в обратном направлении, но два других перехода J 1 и J 3 смещены в прямом направлении. Таким образом, ситуация в J 1 и J 3 становится похожей на транзистор N-P-N с открытой базой.

В результате через нагрузку R L будет протекать ток, и тиристор отключится. Если приложенное напряжение увеличивается постепенно, достигается стадия, когда обратный смещенный переход J 2 выходит из строя. Фактически, SCR начинает интенсивно проводить и, как говорят, находится во включенном состоянии. Напряжение, приложенное в тот момент, из-за которого тиристор работает без напряжения затвора, называется напряжением пробоя.

ii. Когда ворота положительные:

Как показано на рис.10.3, можно сделать тиристор проводящим, подав на затвор небольшое положительное напряжение. В этом случае переход J 3 смещен в прямом направлении, а переход J 2 смещен в обратном направлении. Из материала N-типа электроны движутся через переход J 3 влево, а из P-типа дырки движутся вправо. В результате электроны из перехода J 3 притягиваются через переход J 2 , и начинает течь ток затвора.

По мере прохождения тока затвора анодный ток увеличивается, что, в свою очередь, делает доступным больше электронов на переходе J 2 .Этот процесс продолжается, и за очень короткий промежуток времени соединение J 2 выходит из строя, и SCR начинает работать с высокой проводимостью. Как только SCR начинает проводить, ворота теряют всякий контроль. Проводимость прекращается только тогда, когда приложенное напряжение снижается до нуля.

Рассматривая работу SCR, можно сделать следующие важные выводы:

и. SCR либо сильно проводит, либо не проводит. Таким образом, он имеет два состояния и нет промежуточного состояния.Следовательно, он ведет себя как переключатель.

ii. Есть два разных способа включить SCR. В первом методе затвор остается открытым, а напряжение питания приравнивается к напряжению отключения. Во втором методе напряжение питания прикладывается меньше, чем напряжение отключения, а затем оно включается небольшим напряжением, приложенным к затвору.

iii. Это общий способ подачи небольшого положительного напряжения на затвор для закрытия тиристора. Это связано с тем, что напряжение переключения обычно больше, чем напряжение питания.

iv. Чтобы сделать тиристор непроводящим, напряжение питания снижают до нуля.

Некоторые термины:

(a) Напряжение отключения:

Gate открыт, он представляет собой минимальное прямое напряжение, при котором тиристор начинает сильно проводить, т. Е. Включается.

Напряжение отключения SCR составляет 200 вольт, что означает, что он может блокировать прямое напряжение (т.е. SCR остается открытым), пока напряжение питания меньше 200 вольт. Если напряжение питания сделать больше этого значения, то SCR будет включен.Для практических целей SCR работает с напряжением питания, меньшим, чем напряжение отключения, а затем он включается низким напряжением, подаваемым на затвор. Напряжение переключения коммерческих тиристоров составляет примерно от 50 до 500 вольт.

(b) Ток удержания:

Ворота открыты, он представляет собой максимальный анодный ток, при котором тиристор выключается из состояния ВКЛ.

Мы знаем, что если тиристор находится в проводящем состоянии, его нельзя выключить, даже если напряжение, приложенное к затвору, будет снято.Чтобы выключить тиристор, напряжение питания снижается почти до нуля, после чего внутренний транзистор выходит из состояния насыщения. В этом случае анодный ток становится очень маленьким и называется током удержания.

Удерживающий ток SCR составляет 5 мА, что означает, что если анодный ток станет меньше 5 мА, то SCR будет отключен.

(c) Номинальный ток в прямом направлении:

Он представляет собой максимальный анодный ток, который SCR может пропустить без разрушения.

Если значение тока превышает прямой ток, то из-за интенсивного нагрева на переходе может выйти из строя тиристор. Фактически, для каждого SCR существует безопасное значение прямого тока, при котором он может проводить.

Номинальный прямой ток SCR составляет 40 А, это означает, что SCR может безопасно выдерживать только 40 A. Номинальные параметры прямого тока коммерческих SCR составляют примерно от 30 A до 100 A.


4. Эквивалентная схема SCR

:

SCR на рис.10.4 (а) показывает его структуру. Это четырехслойное полупроводниковое устройство, которое можно разделить на два транзистора, как показано на рис. 10.4 (b).

Таким образом, эквивалентную схему SCR можно рассматривать как состоящую из двух транзисторов, транзистора P-N-P и транзистора N-P-N, соединенных, как показано на рис. 10.5. Из рисунка видно, что коллектор каждого транзистора соединен с базой другого и, таким образом, образует петлю положительной обратной связи.

Эквивалентная электрическая схема SCR показана на рис.10.6. Пусть сначала вывод G затвора не подключен к какой-либо внешней цепи и ток затвора I g равен нулю. Также напряжение питания V ss подключено к последовательному резистору R L между анодом A и катодом K. При таком смещении переходы J 1 и J 3 смещены вперед, а переход J 2 получает обратное смещение. Таким образом, три перехода J 1 , J 2 и J 3 должным образом смещены для работы транзисторов T 1 и T 2 .

Коллекторные токи транзисторов T 1 и T 2 тогда соответственно равны -

SCR сконструирован так, что его (α 1 , + α 2 ) становится немного меньше единицы. Чтобы удовлетворить условию, что (α 1 + α 2 ) <1, SCR изготавливается из кремния или германия.

Вольт-амперные характеристики тринистора показаны на рис. 10.7 для различных значений токов затвора l g .Рассмотрим кривую для I g = 0. В области низкого тока OA, (α 1 + α 2 ) <1. Но по мере увеличения приложенного напряжения ток медленно увеличивается, вызывая увеличение (α 1 + α 2 ), что дополнительно увеличивает ток I. Таким образом, в области AB с увеличением напряжения происходит быстрое увеличение тока. Такое увеличение тока продолжается до тех пор, пока (α 1 + α 2 ) не станет единицей в точке B.

Соответствующее напряжение V BO называется напряжением отключения или напряжением срабатывания.Ток, соответствующий напряжению срабатывания, обозначен на рисунке I H и называется током удержания. Как только тиристор срабатывает и переходит в состояние ВКЛ, его можно остановить, только уменьшив анодное напряжение, чтобы уменьшить анодный ток ниже I H . Когда ток падает ниже I H , проводимость прекращается и рабочая точка смещается с C на O.

Чтобы объяснить влияние тока затвора на работу тринистора, мы считаем, что напряжение питания V ss меньше, чем необходимо для запуска тринистора.Когда применяется I g , α 2 увеличивается так, что (α 1 + α 2 ) становится единицей, и SCR срабатывает даже при низком напряжении питания. Из рисунка также видно, что чем больше значение I g , тем ниже приложенное напряжение V.


5. Применение SCR

:

Очень важным применением SCR является контролируемое выпрямление. Полуволновое и двухполупериодное выпрямление с использованием SCR обсуждается ниже.

Полупериодный выпрямитель с тиристором:

На рис. 10.8 (а) показана принципиальная схема тиристора, используемого в качестве однополупериодного выпрямителя. На рисунке T - трансформатор, R L - сопротивление нагрузки, подключенное последовательно с анодом, а Rh - переменное сопротивление, вставленное в схему затвора для управления током затвора.

и. Операционный:

Переменный ток питание подается на первичную обмотку трансформатора. Пусть пиковое обратное напряжение (PIV) на вторичной обмотке меньше обратного напряжения пробоя SCR, что гарантирует, что SCR не сломается в течение отрицательного полупериода a.c. поставка.

Если разрешено протекание подходящего тока затвора, тиристор будет проводить в течение положительного полупериода.

Чем больше ток затвора, тем меньше напряжение питания, при котором включается тиристор. Ток затвора можно изменять с помощью переменного сопротивления Rh.

Давайте теперь предположим, что ток затвора настроен на такое значение, что тиристор замыкается при положительном напряжении V 1 , которое меньше пикового значения напряжения V m .Из Рис. 10.8 (b) видно, что тиристор будет проводить при вторичном переменном токе. напряжение становится V 1 в положительном полупериоде. После этого SCR будет продолжать работу до тех пор, пока V не станет равным нулю, когда он будет выключен. Из рисунка также видно, что угол зажигания α, а угол проводимости ф [= 180 ° - α].

Пусть v = V м sin 0 - переменное напряжение появляется на вторичной обмотке трансформатора, а α - угол зажигания. Во время положительного полупериода выпрямитель будет проводить от α до 180 °.

Таким образом, видно, что чем больше угол зажигания α, тем меньше средний ток.

Двухполупериодный выпрямитель с тиристором:

Схема двухполупериодного выпрямителя SCR показана на рис. 10.9 (а). Это похоже на обычную схему с центральным отводом, за исключением того, что два диода заменены двумя тиристорами. Один SCR проводит в течение положительного полупериода, а другой - в течение отрицательного.

и.Операционный:

Регулируя токи затвора, можно изменить угол проводимости. Пусть токи затвора отрегулированы так, чтобы тиристоры, проводящие при вторичном напряжении, становились V 1 . Во время положительного полупериода переменного тока входное напряжение: верхний конец вторичной обмотки является положительным, а нижний - отрицательным, что заставляет тиристор 1 проводить? Однако проводимость начинается, когда напряжение на верхней половине вторичной обмотки становится равным [Рис. 10.9 (b)].

Таким образом, через нагрузку будет проходить только заштрихованная часть положительного полупериода.Во время отрицательного полупериода переменного тока входного напряжения, верхний конец вторичной обмотки становится отрицательным, а нижний - положительным. Когда напряжение на нижней половине вторичной обмотки становится равным V 1 , тиристор 2 начинает проводить.

Эта схема имеет дополнительное преимущество перед обычной двухполупериодной схемой выпрямителя, так как путем регулировки токов затвора можно изменять угол проводимости и выходное напряжение.

Пусть v = V м sin θ будет переменным напряжением, которое появляется между центральным отводом и любым концом вторичной обмотки.Если α - угол открытия, то -

Другие применения SCR :

SCR может также использоваться в приложениях переключения и управления. Кроме того, его можно использовать для обнаружения сверхсветовой освещенности.


SCR Выпрямитель с кремниевым управлением »Примечания по электронике

Тиристоры или схемы SCR используются для многих применений управления мощностью от управления освещением до силовых двигателей переменного тока и других коммутационных приложений.


Конструкция схемы тиристора Включает:
Праймер для разработки схемы тиристора Схема работы Конструкция пусковой / пусковой цепи Лом перенапряжения Цепи симистора


Тиристорный или кремниевый выпрямитель, SCR, является особенно полезным компонентом, и он находит множество применений в таких областях, как управление мощностью, где эти компоненты могут использоваться для переключения высоких напряжений и токов. Тиристоры взяли на себя большинство приложений переключения мощности, которые когда-то выполнялись с помощью реле, хотя контакторы очень высокого напряжения все еще используются.

Тиристорный или кремниевый выпрямитель, конструкция тиристора может быть простой. Устройства, хотя и немного необычные, следуют тем же основным правилам проектирования схем, которые регулируют и другие компоненты.

Основная проблема заключается в том, чтобы убедиться, что все компоненты имеют соответствующие характеристики, поскольку часто тиристорные схемы используются в приложениях с высокой мощностью.

Основы схемы тиристора, тиристора

Тиристорный или кремниевый выпрямитель работает иначе, чем стандартный биполярный транзистор или полевой транзистор.

Тиристор имеет два электрода, которые подключены к главной цепи управления. Эти два электрода называются анодом и катодом.

Третий электрод, называемый затвором, используется для управления тиристором в цепи.

Обозначение тиристора или схемы тиристора
Примечание по тиристорной технологии:

Тиристоры или тиристоры основаны на уникальной структуре PNPN-структуры и имеют три электрода: анод, катод и затвор. Когда затвор получает ток срабатывания, он запускает тиристор, позволяя току течь до тех пор, пока не будет снято напряжение между анодом и катодом.Это позволяет тиристору переключать высокие напряжения и токи, хотя это только половина цикла. Два могут использоваться для покрытия обеих половин цикла.

Подробнее о Тиристорная технология

Чтобы понять, как SCR работает в цепи, лучше всего взглянуть на его эквивалентную схему. Из этого видно, что SCR можно рассматривать как состоящий из двух соединенных между собой транзисторов.

В начальных условиях проводимость между анодом и катодом отсутствует. Однако, если на затвор подается ток, заставляющий TR2 проводить ток, тиристор включается, но только в одном направлении. Эта проводимость будет сохраняться, даже если ток затвора будет удален. Таким образом, ток затвора можно рассматривать как импульс запуска.

Чтобы остановить проводимость, напряжение между анодом и катодом должно быть уменьшено до уровня ниже уровня падения. Это происходит, когда один или оба транзистора достигают режима отсечки.В этот момент проводимость всего устройства прекратится, и ворота нужно будет повторно запустить.

Эквивалентная схема тиристора

Как можно понять, тиристор SCR проводит только в одном направлении. При использовании с сигналом переменного тока его необходимо повторно запускать для каждого полупериода проводимости.

Когда тиристор SCR находится в полностью проводящем состоянии, падение напряжения на устройстве обычно составляет около 1 В для всех значений анодного тока вплоть до его номинального значения.

Затем SCR продолжает проводить, пока анодный ток остается выше удерживающего тока для устройства, которое обычно обозначается как IH.Ниже этого значения SCR перестает проводить. Поэтому в цепях постоянного тока и некоторых высокоиндуктивных цепях переменного тока должны быть средства отключения устройства, поскольку тиристор будет продолжать проводить.

Схема тиристорного затвора

Чтобы предотвратить перегрузку затвора, а также ложное срабатывание, некоторые резисторы часто помещают в цепь затвора.

Схема тиристора с дополнительными резисторами затвора

При разработке схемы SCR часто используются два резистора затвора.

В схему включен R1 для ограничения тока затвора до приемлемого уровня. Этот резистор выбран таким образом, чтобы обеспечить достаточный ток для срабатывания тринистора, но при этом он не обеспечивает такой большой нагрузки, чтобы затворный переход находился под напряжением.

Второй резистор R2 представляет собой резистор катода затвора, иногда обозначаемый как RGK, включенный для предотвращения ложного срабатывания. Это эффективно снижает чувствительность ворот.

Иногда этот резистор может быть включен в сам корпус SCR, и внешний резистор может не потребоваться.Необходимо свериться с таблицей данных производителя, чтобы определить, что необходимо.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Структура, эквивалентная схема и работа SCR

  • Полная форма SCR - кремниевый управляемый выпрямитель.
  • Это три перекрестка, трехконтактный и четырехслойный полупроводниковый прибор типа PNPN. Терминалы анод (A), катод (K) и затвор (G).
  • Позволяет ток течь только в одном направлении поэтому он называется однонаправленным устройством.
  • Структура и обозначение SCR показан на рисунке А.

Строение

  • изготовление конкретного SCR зависит от ожидаемого обслуживания от этого типа.
  • SCR состоит из многослойных «таблеток» чередующихся полупроводников P и N типа. материал.
  • Полупроводниковым материалом всегда является кремний (внутренняя полупроводник), в который добавлены соответствующие примеси.
  • Соединения либо рубанок диффузный (весь рассеянный) или сплав рассеянный.

Все диффузный (Planer diffused)

  • поперечное сечение SCR диффузионного типа показано на рисунке B.
  • Это состоит из четырехслойной таблетки полупроводниковых материалов типа P и N.
  • Это Техника используется для изготовления нескольких единиц из одной пластины.
  • Рубанок конструкция лучше всего подходит для маломощных тиристоров.
  • Главный недостаток Более строгая структура состоит в том, что для этого требуется больше кремния на одну амперную токовую нагрузку.

Сплав диффузный

  • Крест сечение рассеиваемого сплава показано на рисунке С.
  • Внутренний переход J2 получается путем диффузии, тогда как два внешних слоя сплавлены с ним.
  • Как структура PNPN требуется для обработки большого тока, она правильно закреплена молибденовые или вольфрамовые пластины для обеспечения большей механической прочности.
  • Одна из этих пластин припаяна к алюминиевой или медной шпильке, которая с резьбой для крепления радиатора.
  • Радиатор обеспечивает эффективную тепловой путь для отвода внутренних потерь в окружающую среду.

Операция

Вперед режим блокировки

  • Когда анод положительный по отношению к катодному выводу и затвор открыт, два внешние переходы J1 и J3 смещены вперед, но средний переход становится обратный смещенный.
  • Ток не течет через устройство из-за образования слоя истощения на стыке J2.
  • Ток утечки протекает через устройство из-за дрейфа мобильных зарядов.
  • Поскольку SCR не проводит в состояние прямого смещения, это называется состоянием прямой блокировки или выключенным состоянием устройство.
Режим блокировки реверса
  • Когда анод сделаны отрицательными по отношению к катоду и затвор открыт, два внешних перехода J1 и J3 становится смещенным в обратном направлении, тогда как средний переход становится вперед пристрастный.
  • Ток не течет через устройство из-за двух внешних переходы J1 и J3 имеют обратное смещение.
  • Малая величина тока утечки через устройство недостаточно для включения устройства. Это называется режим обратной блокировки устройства.

Вперед режим проводимости

  • Если анод к напряжение на катоде увеличивается в режиме прямой блокировки, ширина обедненный слой на стыке J2 уменьшается. (ширина истощения слой обратно пропорционален приложенному напряжению).
  • Если анод к напряжение на катоде постепенно увеличивается, ширина обедненного слоя становится равной нулю на определенном уровне и пробой соединения J2.
  • Известен как лавинный прорыв. из-за того, что переходы J1 и J3 всегда смещены в прямом направлении.
  • Теперь электроны из Материал типа N движется к стыку J3, в то время как отверстия из материала типа P перемещаются к катоду, поэтому ток затвора начинает течь.
  • Из-за тока затвора, анодный ток увеличивается, поэтому на переходе J2 доступно больше электронов.Переход J2 выходит из строя за очень короткое время, и SCR сильно проводит В результате ворота теряют все элементы управления.
  • SCR не выключается, несмотря на удаление стробирующего сигнала.
Следующий следует отметить теорию выше.
  • SCR может быть включается при подаче напряжения анода на катод, равного перенапряжению отключения с цепью затвора остается разомкнутой или увеличивает напряжение от анода до катода меньшее, чем перенапряжение срабатывания при малом напряжении затвора.
  • SCR ведет себя как переключатель. (проводящие или непроводящие)
  • Когда анод становится отрицательным по отношению к катоду, и напряжение питания увеличивается до на определенном уровне, например, пороге, происходит пробой стабилитрона, и SCR может быть разрушен.
  • Напряжение между анодом и катодом снижено до нуля, чтобы отключить SCR. проведение.

Два транзистора аналогия

  • эквивалент Схема SCR показана на рисунке Е.
  • SCR состоит из двух транзисторы: один PNP и другой NPN.
  • Эти два транзистора соединены так, чтобы коллектор одного транзистора был подключен к базе другого транзистор, тогда как база первого транзистора подключена к коллектору другого транзистора.
  • Когда нет ворот подается сигнал и напряжение между анодом и катодом меньше прямого размыкания напряжения, два внешних перехода J1 и J3 смещены в прямом направлении, в то время как внутренний переход J2 становится смещенным в обратном направлении.
  • Соединение J1J2 и J2J3 можно рассматривать как составляют транзисторы PNP и NPN соответственно, где переход J2 коллектор - база переход к обоим транзисторам.
  • Коллекторный ток транзистор задан по
I C = AI E + I CO
  • Коллектор ток транзисторов T1 и T2 равен
Я C1 = а 1 I E1 + Я CO1 Я C2 = а 2 I E2 + I CO2
  • Теперь анодный ток SCR составляет
Я А = Я С1 + Я С2 = (а 1 + 2 ) I A + I CO1 + I CO2 (1 - а 1 - а 2 ) I А = I CO1 + I CO2 Я А = [I CO1 + I CO2 ] / (1 - a 1 - а 2 )
  • Значение 1 + 2 всегда меньше чем единство.
  • Когда напряжение между анодом и катодом V AK увеличивается, ток утечки также увеличивается. Это означает, что значение 1 и 2 также увеличивается.
  • По мере того, как напряжение на аноде приближается к прямому разрыву, перенапряжение несущей коэффициент размножения (коэффициент размножения дырок и размножение электронов фактор) достаточно велик, чтобы пробить переход J2.
  • По мере приближения значения a 1 + a 2 к единице, ток становится достаточно большим, чтобы оба транзистора были насыщенный.
  • Поскольку падение напряжения на тиристоре падает почти на одно напряжение, анод ток ограничен внешним сопротивлением R при включении тиристора.
  • SCR может быть отключен только тогда, когда прямой ток падает ниже удерживающего тока, при котором значение 1 + 2 меньше единицы.
  • Когда ворота сигнал подается, ток затвора начинает течь.
  • Чем выше ток затвора, тем ниже напряжение между анодом и катодом, при котором тиристор включается.
  • Усиление тока фактор а 2 увеличивается с увеличением тока затвора и коэффициента усиления тока a 1 зависит от общий прямой ток.
  • Это означает, что 1 и 2 зависит от тока затвора и общего прямого тока.
Вам также могут понравиться:

Устройство и работа инвертора серии GTO

Типы циклоконвертора

Устройство и работа UJT

Snubber Circuit

Работа, символ, схемы и приложения

TRIAC или TRI ode для A lternating C urrent - это трехконтактный двунаправленный тиристор, что означает, что при правильной активации он может проводить ток в обоих направлениях.Он используется в приложениях переключения переменного тока. Его можно рассматривать как два антипараллельно соединенных тринистора. В отличие от выпрямителя с кремниевым управлением, он способен проводить положительные и отрицательные циклы электрического тока.

Символ TRIAC

Символ TRIAC и его эквивалентная схема показаны на рисунке выше. Он имеет два проводящих основных вывода MT 1 (Главный вывод-1) и MT 2 (Главный вывод-2), а также вывод G сигнала затвора. Эквивалентная схема показывает модель TRIAC с двумя SCR.

Строительство TRIAC

Как упоминалось ранее, TRIAC выглядит как два тиристора SCR, соединенных встречно параллельно и имеющих общий затвор. Его базовая структура показана ниже:

Структура TRIAC

Это 5-слойное устройство. Как показывает эквивалентная схема, этот слой составляет два дополнительных тринистора с общим затвором. Область между MT1 и MT2 ведет себя как SCR P-N-P-N параллельно с SCR N-P-N-P. Поскольку MT1 и MT2 контактируют как с p-, так и с n-областями, они не могут быть обозначены как анод или катод.

Работа TRIAC

TRIAC может быть включен с помощью стробирующего сигнала. Полярность стробирующего сигнала зависит от полярности MT1 и MT2. Если MT2 положительный по отношению к MT1, его можно включить, применив положительный сигнал затвора относительно MT1, и если MT1 положительный относительно MT2, его можно включить, применив отрицательный сигнал затвора относительно MT1. . Во время работы он блокирует как положительное, так и отрицательное напряжение, если нет стробирующего сигнала и приложенное напряжение меньше его напряжения пробоя.

Чтобы полностью понять работу TRIAC, необходимо понять, как он реагирует на положительные и отрицательные сигналы затвора. На основе полярности стробирующего сигнала и приложенного напряжения можно определить четыре квадранта запуска.

Четырехквадрантная работа TRIAC

9100 II4 9100 II4
Триггерный квадрант Полярность затвора Полярность MT2
Квадрант I Положительный по отношению к MT1 Положительный по отношению к MT1
Отрицательный по отношению к MT1
MT1 Положительный по отношению к MT1
Квадрант III Отрицательный по отношению к MT1 Отрицательный по отношению к MT1
Квадрант IV Положительный по отношению к MT1 MT1 916 Отрицательный по отношению к MT1
Вид в разрезе TRIAC

Работа в квадранте I

  • MT2 и Gate положительный по отношению к MT2.
  • Соединения P 1 N 1 и P 2 N 2 смещены вперед.
  • N 1 P 2 имеет обратное смещение. Следовательно, TRIAC не проводит ток, пока не будет подано напряжение затвора.
  • При приложении положительного напряжения затвора соединение P 2 N 1 становится смещенным в прямом направлении и выходит из строя, как в обычном тиристоре, и симистор начинает проводить через P 1 N 1 P 2 N 2 слоев.
  • Следовательно, во время работы в первом квадранте устройство работает как SCR, что делает его более чувствительным в этом режиме.

Работа в квадранте II

  • MT2 положительный по отношению к MT1, а вентиль отрицательный.
  • Соединения N 1 P 1 и N 2 P 2 смещены вперед.
  • Соединение N 1 P 2 с обратным смещением.
  • Когда отрицательный ток затвора применяется к N 3 , N 1 P 2 становится смещенным вперед, и начальная проводимость происходит через N 1 P 1 P 2 N 3 .
  • В дополнение к этому, ток устанавливается в направлении области N 2 через P 2 из-за градиента потенциала, образованного из-за MT1.
  • В результате ток устанавливается через N 1 P 1 N 2 P 2.
  • Таким образом, можно утверждать, что ток MT1 действует как ток затвора для основного пути проводимости. (N 1 P 1 N 2 P 2 ).
  • По сравнению с работой в квадранте I, квадранте II

Работа в квадранте III

  • MT2 отрицательно по отношению к MT1, а вентиль отрицателен.
  • Обычный ток затвора течет от MT1 к клемме затвора через P 2 N 3 .
  • Обратно-смещенный переход N 1 P 1 разорван, и ток течет через P 2 N 1 P 1 N 4 .
  • Как и в квадранте-I, работа в квадранте-III также более чувствительна.

Работа в квадранте IV

  • MT2 отрицательно по отношению к MT1, а вентиль положительный.
  • Переход N 2 P 2 смещен в прямом направлении током затвора, который, в свою очередь, вводит больше электронов в P 2 .
  • В результате соединение N1P1 разрывается, и ток течет через P2 N1 P1N4.

Характеристики TRIAC

Следующая характеристическая кривая показывает несколько терминов, которые определяют рабочие характеристики TRIAC.

В BO - напряжение отключения. Напряжение отключения - это максимальное напряжение, которое симистор может выдержать до того, как он перейдет в неконтролируемую проводимость.Это означает, что для того, чтобы устройство оставалось в режиме проводимости, больше не требуется напряжения триггера затвора.

Пиковое повторяющееся напряжение (В DRM ) - это максимальное пиковое напряжение волны переменного тока, которое может выдерживать устройство.

Минимальный ток, необходимый для фиксации TRIAC, известен как ток фиксации (I L ).

Если ток упадет ниже определенного порогового значения, ток перестанет проводиться. Это минимальное значение удерживаемого тока известно как удерживающий ток (I H ).

Преимущества и недостатки TRIAC

Преимущества
  • Он прост в использовании и намного дешевле, чем использование двух тиристоров SCR по отдельности для приложений с низким энергопотреблением.
  • Он может быть переведен в состояние проводимости как с положительной, так и с отрицательной полярностью напряжения затвора и импульсами тока.
  • Для этого требуется только один радиатор большого размера, в отличие от одного тиристора SCR, для которого требуются два радиатора, но меньшего размера.
  • Для защиты TRIAC требуется только один предохранитель.

Поскольку это двустороннее устройство, возможно безопасное напряжение пробоя в любом направлении, в отличие от SCR, который требует параллельного включения диода для гарантии защиты.

Disa

Преимущества
  • Они не так надежны, как SCR.
  • Изменение номинального напряжения намного ниже по сравнению с SCR.
  • Цепь срабатывания должна постоянно контролироваться, так как она может переключиться на проводимость в любом направлении.

Заявление

TRIAC

широко используются для диммеров домашнего освещения, управления небольшими двигателями, управления скоростью вращения электрических вентиляторов и управления небольшими бытовыми приборами с питанием от переменного тока.

Применение коммутации переменного тока

TRIACS основное назначение - использовать для переключения напряжений переменного тока. На рисунке ниже показан пример приложения, которое использует схему TRIAC для переключения переменного тока.

Когда переключатель SW1 разомкнут, ток затвора не подается, что приведет к отсутствию тока, протекающего через лампу.Когда переключатель замкнут, он будет включен. Это позволит току протекать через резистор R, и на клемму затвора будет подаваться импульс, который инициирует проводимость через схему TRIAC, как только будет достигнуто напряжение отключения. Следовательно, переменному напряжению Vs будет позволено течь через цепь, которая зажгла бы лампу.

TRIAC Phase Control

TRIACS используются для контроля средней мощности, подаваемой на нагрузку.TRIAC запускается таким образом, что мощность переменного тока, подаваемая на нагрузку, регулируется в течение части каждого полупериода.

Во время первой половины положительного полупериода он отключается на определенный интервал, а затем включается в течение оставшейся части полупериода. Часть положительного цикла, которую он выключает, известна как угол задержки, а часть, которую он включает, известна как угол проводимости. Действие аналогично для другой половины сигнала переменного тока.

Этот тип приложения управления фазой использует два диода для подачи запускающих импульсов на затвор TRIAC. Диод (D 1 ) проводит в течение положительной части полупериода, а второй диод (D 2 ) проводит в течение отрицательного полупериода. Значение сопротивления нагрузки R 1 устанавливает пороговое значение, при котором TRIAC запускает состояние проводимости.

Схема диммера с использованием TRIAC

На рисунке показана простая схема диммера на основе TRIAC.Яркость лампы можно регулировать с помощью потенциометра.

Типы TRIAC

Штифт или стандартный Тип:

Этот тип TRIAC выглядит как небольшая ИС, которая имеет три контакта: MT1, MT2 и затвор с радиатором наверху. Они обычно используются в бытовой технике.

Капсула или диск Тип:

Этот тип TRIAC имеет форму диска или капсулы. У него есть провода, идущие к клеммам.Они обладают высокой пропускной способностью по току и изготовлены из керамического уплотнения. Они широко используются в таких приложениях, как переключение переменного тока и быстрое управление двигателем.

Тип шпильки:

Устройства типа «шпилька» используются в приложениях с высокой мощностью. Они имеют резьбовое дно, которое действует как главный вывод, и два вывода наверху. Один вывод - это другой главный вывод, а второй вывод наверху - вывод затвора. Он используется в приложениях управления фазой, таких как преобразователи, регулируемые источники питания, цепи управления скоростью, ветром или температурой, управление источником питания, управление двигателем и цепи освещения.

Сводка

  • TRIAC - это трехконтактное, пятиуровневое, двунаправленное силовое электронное коммутационное устройство.
  • Он действует как два антипараллельных тиристора, соединенных для двунаправленной работы.
  • Имеет три терминала: МТ1, МТ2 и затвор. MT1 и MT2 взаимозаменяемы.
  • Чувствительность симисторов выше в первом и втором квадранте.
  • TRIAC обычно используются в схемах управления переменного тока малой мощности.
  • Они обычно используются в диммерах, однофазном регулировании скорости и регулировании нагрева.
  • Образец таблицы данных TRIAC: https://www.mouser.in/datasheet/2/848/bt139-600e-1520116.pdf

Что такое тиристор? Типы тиристоров и их применение

Что такое тиристор? Типы тиристоров и их применение

Тиристоры - интересный класс полупроводниковых приборов. Они имеют аналогичные характеристики с другими твердотельными компонентами из кремния, такими как диоды и транзисторы. Поэтому отличить тиристоры от диодов и транзисторов может быть сложно.Чтобы усложнить задачу, на рынке доступны различные типы тиристоров.

В некоторых случаях то, что отличает тиристоры друг от друга, может быть всего лишь крошечной деталью.

Также, в зависимости от производителя, данный тиристор может быть известен под другим именем.

Для успешного применения тиристоров при проектировании схем важно знать их уникальные характеристики, ограничения и их взаимосвязь со схемой. Вот почему мы тратим время на то, чтобы разобраться во всем этом, чтобы вы могли лучше понять, какой тиристор лучше всего подходит для вашего приложения.

Что такое тиристор?

Тиристор - это четырехслойный прибор с чередующимися полупроводниками P-типа и N-типа (P-N-P-N).

В своей основной форме тиристор имеет три вывода: анод (положительный вывод), катод (отрицательный вывод) и затвор (контрольный вывод). Затвор управляет потоком тока между анодом и катодом.

Основная функция тиристора - регулировать электрическую мощность и ток, действуя как переключатель.Для такого небольшого и легкого компонента он обеспечивает адекватную защиту цепей с большими напряжениями и токами (до 6000 В, 4500 А).

Он привлекателен в качестве выпрямителя, потому что может быстро переключаться из состояния проводимости тока в состояние непроводимости.

Кроме того, его стоимость обслуживания невысока, и при правильной эксплуатации он остается работоспособным в течение длительного времени без возникновения неисправностей.

Тиристоры используются в самых разных электрических цепях, от простых охранных сигнализаций до линий электропередачи.

Как работают тиристоры?

Тиристор со структурой P-N-P-N имеет три перехода: PN, NP и PN. Если анод является положительным выводом по отношению к катоду, внешние переходы, PN и PN смещены в прямом направлении, а центральный переход NP с обратным смещением. Следовательно, переход NP блокирует прохождение положительного тока от анода к катоду. Говорят, что тиристор находится в состоянии прямой блокировки . Точно так же прохождение отрицательного тока блокируется внешними PN-переходами.Тиристор находится в состоянии обратной блокировки.

Другое состояние, в котором может находиться тиристор, - это состояние прямой проводимости , при котором он получает сигнал, достаточный для включения, и начинает проводить.

Давайте на минутку выделим уникальные свойства, которые тиристоры привносят в схему, углубившись в природу сигнала и отклик тиристора.

Щелкните здесь, чтобы купить тиристоры или другие устройства защиты цепей от MDE Semiconductor.

Наши двухконтактные тиристоры серии P разработаны для телекоммуникационной отрасли. Эти продукты обеспечивают защиту в соответствии с FCC Part 68, UL 1459, Bellcore 1089. ITU-TK, 20 & K. 21

MDE Semiconductor уделяет особое внимание решениям по защите цепей.

Краткое описание включения тиристора

Когда на вывод затвора подается достаточный положительный сигнальный ток или импульс, он переводит тиристор в проводящее состояние.Ток течет от анода к катоду и будет продолжать течь, даже когда сигнал затвора удален. Говорят, что тиристор «зафиксирован».

Чтобы разблокировать тиристор, необходимо выполнить сброс схемы путем уменьшения анодно-катодного тока ниже порогового значения, известного как ток удержания.

Включение тиристора на уровне полупроводникового материала

Структура PNPN тиристора может быть интерпретирована как два транзистора, соединенные вместе.То есть ток коллектора от транзистора NPN питает базу транзистора PNP. Точно так же ток коллектора от транзистора PNP питает базу транзистора NPN.

Для фиксации тиристора и начала проведения тока сумма общей базы

коэффициенты усиления по току двух транзисторов должны превышать единицу.

Когда на затвор подается положительный ток или кратковременный импульс, который в достаточной мере увеличивает коэффициент усиления контура до единицы, происходит регенерация.Это означает, что импульс заставляет транзистор NPN проводить ток, который, в свою очередь, смещает транзистор PNP в проводимость. Если

начальный пусковой ток на затворе удаляется, тиристор остается во включенном состоянии, пока ток через тиристор достаточно высок, чтобы соответствовать критериям единичного усиления. Это ток фиксации .

Тиристор может включиться также из-за лавинного пробоя блокировочного перехода.Чтобы тиристор включился при нулевом токе затвора, приложенный ток должен достигнуть напряжения отключения тиристора. Это нежелательно, так как поломка приводит к повреждению устройства. Для нормальной работы тиристор выбирается так, чтобы его напряжение переключения было больше, чем наибольшее напряжение, которое будет испытываться от источника питания. Таким образом, включение тиристора может произойти только после того, как на затвор будет подан преднамеренный импульс, за исключением случаев, когда тиристор был специально разработан для работы в режиме отключения.(См. Типы тиристоров с возможностью управляемого отключения ниже).

Тиристор выключения

Чтобы выключить тиристор, который зафиксирован (включен / включен), ток через него должен измениться так, чтобы коэффициент усиления контура был ниже единицы. Выключение начинается, когда ток становится ниже удерживающего.

Тиристоры различных типов и их применение

Тиристоры

можно классифицировать в зависимости от характера их поведения при включении и выключении, а также их характеристик напряжения и тока: Различные классы:

  1. Тиристоры с возможностью включения (однонаправленное управление)
  2. Тиристоры с возможностью отключения (однонаправленное управление)
  3. Двунаправленное управление

  1. Тиристоры с возможностью включения (однонаправленное управление)

  1. Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)

SCR - наиболее известные тиристоры.Как объяснено в общем описании тиристоров выше, тиристор остается зафиксированным даже при снятии тока затвора. Чтобы разблокировать, необходимо снять ток между анодом и катодом или сбросить анод до отрицательного напряжения относительно катода. Эта характеристика идеальна для регулирования фазы. Когда анодный ток становится равным нулю, тиристор перестает проводить и блокирует обратное напряжение.

SCR используются в схемах переключения, приводах двигателей постоянного тока, статических переключателях переменного / постоянного тока и инвертирующих схемах.

  1. Тиристор обратного тока (RCT)

Тиристоры обычно пропускают ток только в прямом направлении, но блокируют токи в обратном направлении. Однако RCT состоит из SCR, интегрированного с обратным диодом, который устраняет нежелательную индуктивность контура и уменьшает переходные процессы обратного напряжения. RCT обеспечивает электрическую проводимость в обратном направлении с улучшенной коммутацией.

RCT используются в инверторах и приводах постоянного тока для мощных прерывателей.

  1. Светоактивированный кремниевый выпрямитель (LASCR)

Они также известны как тиристоры с управляемым светом (LTT). Для этих устройств, когда легкие частицы попадают на обратносмещенный переход, количество электронно-дырочных пар в тиристоре увеличивается. Если сила света больше критического значения, тиристор включится. LASCR обеспечивает полную электрическую изоляцию между источником света и переключающим устройством преобразователя мощности.

LASCR используются в передающем оборудовании HVDC, компенсаторах реактивной мощности и генераторах импульсов большой мощности.

  1. Тиристоры с возможностью отключения (однонаправленное управление)

Традиционные тиристоры, такие как тиристоры, включаются при подаче достаточного количества управляющего импульса. Чтобы выключить их, необходимо отключить главный ток. Это неудобно в схемах преобразования постоянного тока в переменный и постоянного в постоянный, где ток, естественно, не становится нулевым.

  1. Затвор запорный тиристор (ГТО)

GTO отличается от стандартного тиристора тем, что его можно отключить, подав отрицательный ток (напряжение) на затвор, не требуя снятия тока между анодом и катодом (принудительная коммутация). Это означает, что GTO можно выключить стробирующим сигналом с отрицательной полярностью, что делает его полностью управляемым переключателем. Его также называют коммутатором, управляемым воротами, или GCS. Время выключения GTO примерно в десять раз меньше, чем у эквивалентного SCR.

GTO

с возможностью обратной блокировки, сравнимой с их номинальным напряжением в прямом направлении, называются симметричными GTO. Асимметричные GTO не обладают значительной способностью блокировки обратного напряжения. GTO с обратной проводимостью состоят из GTO, интегрированного с встречно-параллельным диодом. Асимметричные GTO - самая популярная разновидность на рынке.

GTO используются в приводах двигателей постоянного и переменного тока, мощных инверторах и стабилизаторах переменного тока.

  1. МОП отключающий тиристор (МТО)

MTO - это комбинация GTO и MOSFET для улучшения отключающей способности GTO.GTO требует подачи большого тока отключения затвора, пиковая амплитуда которого составляет около 20-35% от анодно-катодного тока (ток, который необходимо контролировать). MTO имеет два управляющих терминала, затвор включения и затвор выключения, также называемый затвором MOSFET.

Чтобы включить MTO, приложенный импульс затвора достаточной величины вызывает фиксацию тиристора (аналогично SCR и GTO).

Для выключения MTO на затвор полевого МОП-транзистора подается импульс напряжения.MOSFET включается, замыкая эмиттер и базу NPN-транзистора, тем самым останавливая фиксацию. Это намного более быстрый процесс, чем GTO (приблизительно 1-2 мкс), и в этом случае большой отрицательный импульс, приложенный к затвору GTO, направлен на извлечение достаточного тока из базы NPN-транзистора. Кроме того, более быстрое время (MTO) устраняет потери, связанные с текущей передачей.

MTO используются в системах высокого напряжения до 20 МВА, моторных приводах, гибких линиях передачи переменного тока (FACT) и инверторах источников напряжения для высокой мощности.

  1. Эмиттер выключения тиристоров (ЭТО)

Как и MTO, ETO имеет два вывода, нормальный затвор и второй затвор, соединенные последовательно с полевым МОП-транзистором.

Чтобы включить ETO, на оба логических элемента подается положительное напряжение, что приводит к включению NMOS и выключению PMOS. Когда в нормальный затвор подается положительный ток, ETO включается.

Для выключения, когда на затвор полевого МОП-транзистора подается сигнал отрицательного напряжения, NMOS отключается и передает весь ток от катода.Процесс фиксации останавливается, и ETO выключается.

ETO

применяются в инверторах источников напряжения для высокой мощности, гибких линиях передачи переменного тока (FACT) и статических синхронных компенсаторах (STATCOM).

  1. Двунаправленное управление

Обсуждаемые до сих пор тиристоры были однонаправленными и используются в качестве выпрямителей, преобразователей постоянного тока в постоянный и инверторов. Чтобы использовать эти тиристоры для управления напряжением переменного тока, два тиристора необходимо соединить встречно параллельно, в результате чего получатся две отдельные цепи управления, которые потребуют большего количества проводных соединений.Двунаправленные тиристоры, которые могут проводить ток в обоих направлениях при срабатывании триггера, были разработаны специально для решения этой проблемы.

  1. Триод переменного тока (TRIAC)

Тиристоры

- вторые по распространенности тиристоры после тиристоров. Они могут управлять обеими половинами переменного сигнала, тем самым более эффективно используя доступную мощность. Однако симметричные преобразователи частоты обычно используются только для приложений с низким энергопотреблением из-за присущей им несимметричной конструкции.В приложениях с высокой мощностью симисторы имеют некоторые недостатки при переключении при разных напряжениях затвора в течение каждого полупериода. Это создает дополнительные гармоники, которые вызывают дисбаланс в системе и влияют на характеристики ЭМС.

Маломощные TRIAC используются в качестве регуляторов света, регуляторов скорости для электрических вентиляторов и других электродвигателей, а также в компьютерных схемах управления бытовой техникой.

  1. Диод переменного тока (DIAC)

DIACS - это маломощные устройства, которые в основном используются вместе с TRIACS (размещены последовательно с выводом затвора TRIAC).

Поскольку TRIAC по своей природе несимметричны, DIAC предотвращает прохождение любого тока через затвор TRIAC до тех пор, пока DIAC не достигнет своего триггерного напряжения в любом направлении. Это гарантирует, что TRIACS, используемые в переключателях переменного тока, срабатывают равномерно в любом направлении.

DIAC находятся в диммерах для лампочек.

  1. Кремниевый диод переменного тока (SIDAC)

SIDAC электрически ведет себя так же, как DIAC.Основное различие между ними состоит в том, что SIDAC имеют более высокое напряжение отключения и большую мощность, чем DIAC. SIDAC - это пятиуровневое устройство, которое можно использовать непосредственно в качестве переключателя, а не в качестве триггера для другого коммутационного устройства (например, DIAC для TRIACS).

Если приложенное напряжение соответствует или превышает напряжение отключения, SIDAC начинает проводить ток. Он остается в этом проводящем состоянии даже при изменении приложенного напряжения до тех пор, пока ток не станет ниже его номинального тока удержания.SIDAC возвращается в непроводящее состояние, чтобы повторить цикл.

SIDAC

используются в релаксационных генераторах и других устройствах специального назначения.

Щелкните здесь, чтобы купить тиристоры или другие устройства защиты цепей от MDE Semiconductor.

Наши двухконтактные тиристоры серии P разработаны для телекоммуникационной отрасли. Эти продукты обеспечивают защиту в соответствии с FCC Part 68, UL 1459, Bellcore 1089.ITU-TK, 20 и K. 21

Тиристор

Тиристор был изобретен в 1957 году в Bell Labs. Они широко используются в качестве переключателей, работающих от проводящего состояния к непроводящему. В основном это выпрямители с элементом управления.

Строительство

Это четырехуровневые устройства или устройства PNPN. Тиристор состоит из четырех попеременно легированных полупроводниковых слоев. Они образуют три названные функции. J1, J2 и J3.

Внешние выводы прикреплены только к трем слоям из четырех, которые называются анодом, катодом и затвором. Анод прикреплен к внешнему P-слою, катод прикреплен к внешнему N-слою, а затвор прикреплен к внутреннему P-слою.

Символическое представление

Тиристор обычно обозначается схематическим обозначением, как показано. Этот символ на самом деле напоминает диод, но с затвором.

Два транзистора Аналогия

Работу тиристора можно лучше всего понять, рассматривая его аналогию с двумя транзисторами

Эквивалентная схема тиристорного транзистора

Тиристор разделен на два трехслойных транзистора.Q1 - это транзистор PNP, а Q2 - транзистор NPN. Следует также отметить, что коллектор Q1 также является током базы Q2, а ток базы Q1 также является током коллектора Q2.

Операция

Цепи двух транзисторов тиристора начнут работать, если функция эмиттерной базы обоих транзисторов смещена в прямом направлении. Если анод положительный по отношению к катоду, тиристор не будет проводить. Это связано с тем, что затвор открыт, а функция базы эмиттера NPN-транзистора не подвергается прямому смещению и, следовательно, нет базового тока для NPN-транзистора.Следовательно, транзистор Q2 отключен. Таким образом, транзистор Q2 не позволит току базы протекать через эмиттерный переход PNP (Q1) транзистора, и, следовательно, транзистор Q1 также отключен или находится в непроводящем состоянии.

Теперь, когда затвор модели эквивалентной схемы на мгновение становится положительным по отношению к катоду, эмиттерный базовый переход NPN (Q2) станет смещенным вперед и будет проводить. Это приведет к тому, что базовый ток будет протекать через транзистор PNP (Q1), и он также будет проводить.

Однако ток коллектора транзистора PNP (Q1) теперь будет вызывать протекание тока базы через транзистор NPN (Q2). Следовательно, два транзистора удерживают друг друга во включенном или проводящем состоянии, позволяя току течь от анода к катоду.

Расчет анодного тока

Пусть

α 1 = I C1 / I E1 = Текущее усиление Q 1

α 2 = I C2 / I E2 = Текущее усиление Q 2

I CBO1 = ток утечки для Q 1

I CBO2 = ток утечки для Q 2

Сейчас

I C1 = α 1 I E1 + I CBO1 As I E1 = I A

т.

I C1 = α 1 I A + I CBO1 ------------------- Ур.1

Аналогично

I C2 = α 2 I E2 + I CBO2 As I E2 = I K

I C2 = α 2 I K + I CBO2 -------------------- Ур. 2

Теперь комбинируя уравнение. 2 и 1

I C1 + I C2 = α 1 I A + I CBO1 + α 2 I K + I CBO2 ------------ ---------- Ур.3

Рассмотрим транзистор Q 1

I A = I B1 + I C1

= я C2 + я C1

∴ Ур. 3 становится

I A = α 1 I A + I CBO1 + α 2 I K + I CBO2 ----------------- ------ Ур. 4

При применении тока затвора «I G »

I G1 + I C1 = I B2 ------------------- Ур.5

Теперь для транзистора Q 2

I K = I B2 + I C2 ∴ I B2 = I G + I C1

∴ I K = I G + I C1 + I C2

Из соотношения (A)

I K = I A + I G

Используя это значение в уравнении. 4

I A = α 1 I A + I CBO1 + α 2 (I A + I G ) + I CBO2

I A - I A 1 + α 2 ) = α 2 I G + I CBO1 + I CBO2

=> I A = (α 2 I G + I CBO1 + I CBO2 ) / (I (α 1 + α 2 )) ------ ------------- Ур.6

Где α 1 + α 2 = G 1 = усиление контура

В то время как «α 1 » изменяется в зависимости от тока эмиттера I E1 = I A & «α 2 » изменяется в зависимости от тока эмиттера I K = I A + I G .

Увеличение α 1 и α 2 приведет к дальнейшему увеличению I A . Следовательно, возникает регенеративный или положительный эффект обратной связи.

Если (α 1 + α 2 ) стремится к единице, знаменатель уравнения. 6 приближается к нулю, что приводит к большому значению анодного тока «I A », и тиристор включается с небольшим током затвора.

Асимметричный тиристор

Чтобы сократить время, необходимое тиристору для восстановления своего состояния блокировки после выключения, кремний сделан более тонким. Это достигается за счет обратной блокирующей способности тиристора. Такое устройство называется тиристорным несимметричным.В приложениях, где обратная блокировка не имеет большого значения, время переключения сокращается до нескольких микросекунд по сравнению с десятками микросекунд для обычных тиристоров.

Как выключить тиристор

Чтобы выключить тиристор, анодный ток должен быть уменьшен ниже уровня удержания, и должно пройти относительно долгое время, чтобы тиристор вернулся в свое состояние блокировки, прежде чем прямое напряжение может снова быть приложено без проводимости.

Чаще всего для выключения тиристора анодный ток управляется внешней схемой в обратном направлении.

Ток тиристора во время выключения

Обратный ток протекает в течение очень короткого промежутка времени, позволяя движение зарядов внутри слоев PN, обеспечивая дальнейший обратный ток после того, как накопительный заряд был удален, но центральный управляющий переход не будет блокировать повторное приложение прямого напряжения до тех пор, пока прошло время. Обычно должно пройти от 10 до 100 мкс, прежде чем прямое напряжение снова сможет быть приложено без пробоя. Заряд может составлять 20 мкс для тиристора на 20 А.

Требования к тиристорам

Характеристики затворного катода тиристоров варьируются в значительном диапазоне в пределах одной партии продукции.

Можно предположить, что все тиристоры имеют характеристическую кривую, лежащую где-то между верхним и нижним пределом сопротивления. Минимальный уровень тока и напряжения, необходимых для включения тиристора, зависит от температуры перехода, и отображается индикация этих минимальных уровней.

Ток на затворе и напряжение на затворе имеют максимальные значения, а также превышают определенные минимальные уровни.Произведение напряжения затвора и тока дает максимальный установленный уровень мощности.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *