Тиристор в подробностях. Структура. Свойства. Схемы.
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 состояние при подаче сигнала на управляющий электрод. 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;
• средний 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 п. Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой представлен на рисунке.
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.
Свойства тиристора в закрытом состоянии
В соответствии со структурой тиристора можно выделить три электронно-дырочных перехода и заменить тиристор эквивалентной схемой, как показано на рисунке.
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.
Требования к схемам управления
Основное назначение устройств и схем управления — создание управляющего сигнала, необходимого для надежного отпирания тиристоров. Возможны три способа управления тиристорами:
— с помощью сигнала управления;
— превышением напряжения переключения;
— быстро нарастающим напряжением du/dt
Второй и третий способы применяются в основном для включения динисторов.
Отпирание тиристоров с помощью сигнала управления может осуществляться от источника постоянного, переменного и импульсного токов. Использование источников постоянного и импульсного токов характерно для управления триодными и запираемыми тиристорами (теперь большая редкость), причем управление запираемыми тиристорами имеет ряд особенностей, связанных с возможностью включения и выключения прибора с помощью управляющего электрода импульсами различной полярности. Симметричный тиристор (симистор) по своему назначению является переключателем переменного тока, поэтому для управления им часто используют источники переменного напряжения.
Требования, предъявляемые к схемам управления, вытекают из физических и конструктивных особенностей самих приборов, поэтому параметры входной цепи удобно рассмотреть с помощью диаграммы управления, приведенной на рисунке
В поле, ограниченном кривыми ОА и ОВ, можно различить три области. В области 1 тиристор не включается. В области 2 включение тиристоров не гарантируется. Границы этой, области ограничены параметрами цепи управления: током спрямления Iспр и напряжением спрямления Uспр. Заштрихованная область 3 определяет рабочее состояние тиристора. Сверху область 3 ограничена кривой максимально допустимой входной мощности РGT.макс (кривая 1). В зависимости от изменения температуры окружающей среды границы заштрихованной области могут перемещаться влево и вниз.
Для надежного включения тиристора источник управляющего сигнала должен быть рассчитан на ток и напряжение, которые должны лежать в заштрихованной области, не превосходя при этом значений, указанных в технических условиях.
Условиями надежного отпирания тиристоров являются:
— ток управления IGT ≤Iспр (ток спрямления);
— напряжение управления UGT ≥Uспр (напряжение спрямления);
— мощность сигнала управления IGT UGT ≤PGT.макс.
Линия нагрузки (кривая 2) строится из точки ЕGT под углом α, котангенс которого пропорционален ограничительному сопротивлению RGT, включая внутреннее сопротивление источника.
В технических условиях на тиристоры приводятся параметры UGT и IGT, измеренные на постоянном токе, однако управление от источников постоянного тока не нашло широкого применения. Большую популярность приобрели симметричные тиристоры (симисторы) и эффективное управление такими тиристорами от источников переменного напряжения (фазоимпульсное управление).
Однако способность тиристоров работать в импульсных режимах позволяет использовать для их управления наиболее экономичные импульсные источники тока. В этом случае тиристоры включают кратковременными сигналами определенной амплитуды и длительности, причем амплитуда входного сигнала может значительно превышать постоянный входной ток, а входная мощность определяется из условия:
Рвх/Q≤PGT.макс
где Q — скважность импульсов.
Продолжительность импульса ограничивается промежутком времени, необходимым для того, чтобы к концу импульса управления анодный ток по величине превзошел величину тока Iвыкл тиристора.
С другой стороны, чем меньше длительность запускающего импульса, тем меньше потери на управляющем электроде прибора и тем меньше требуется мощность от источника для управления. Поскольку рост анодного тока определяется параметрами силовой схемы, а также режимом нагрузки, длительность запускающего импульса выбирается такой, чтобы во всех случаях обеспечить надежное отпирание тиристора.
Для надежного переключения тиристора в общем случае необходим запускающий импульс длительностью
Ϯупр =(1,5-2,0)tвкл
Однако величина Ϯупр может быть значительно снижена из-за увеличения амплитуды запускающего импульса. Как видно из рисунка, при увеличении максимального значения амплитуды запускающего импульса длительность Ϯупр уменьшается.
Выбор того или иного способа управления тиристорами зависит от требований, предъявляемых к конкретной схеме, и назначения данного устройства.
Принцип отпирания тиристора с помощью управляющего электрода
Эквивалентное представление структуры р-n-р-n в виде двух транзисторов показано на рисунке.
Представление тиристора в виде двух транзисторов разного типа проводимости приводит к эквивалентной схеме, представленной на следующем рисунке.
Схема наглядно объясняет явление отпирания тиристора.
Зададим ток IGT через управляющий электрод тиристора, смещенного в прямом направлении (напряжение UAK положительное). Так как ток IGT становится базовым током транзистора n-р-n, то ток коллектора этого транзистора равен β1IGT, где — β1 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 β1β2IGT 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 (IА) остается достаточно высоким.
На рисунке приведена типовая схема запуска тиристора.
Схемы управления тиристорами
Управление тиристорами наиболее эффективно при использовании источников переменного и импульсного напряжения. Ниже будет рассмотрен ряд схем, которые можно использовать для управления тиристорами.
В схеме тиристор отпирается в момент подачи сигнала управления.
В течение интервала времени (t1<t<π) через него протекает ток, определяемый параметрами нагрузки.
Когда на управляющий электрод тиристора сигналы управления не поступают (интервал 0<t<t1) или если к тиристору приложено обратное напряжение (интервал t2<t<t3), то приложенное напряжение практически полностью падает на тиристоре, т. е. он заперт. Изменяя угол открытия α, можно регулировать ток в нагрузке в течение положительного полупериода питающего напряжения.
На рисунке ниже приведена схема управления тиристорами, которые включены встречно — параллельно.
Управляющие импульсы формируются из анодного напряжения, поэтому работоспособность схемы не зависит от характера нагрузки. Резистор R предназначен для ограничения величины тока управления.
При замыкании ключа К отпирается один из тиристоров ТТ1 или ТТ2, к аноду которого в этот момент приложено положительное напряжение. Запирание тиристоров производится при прохождении тока через нулевое значение.
Для управления тиристорами иногда применяют импульсные трансформаторы, которые хорошо обеспечивают развязку входной цепи приборов от генератора запускающих импульсов.
С целью улучшения формы входного импульса в цепь управляющего электрода включают вспомогательные элементы.
Для отпирания тиристора с помощью импульсного трансформатора необходимо, чтобы напряжение UGT удовлетворяло условию UGT >RогрIспр, а длительность входного импульса Ϯупр была бы большей времени tвкл, т.е. Ϯупр >tвкл.
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
или напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого полупериода переменного напряжения питания).
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 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, 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 показанной выше.
На следующих рисунка представлены различные варианты схем отключения тиристора.
Среди них и ранее упоминавшиеся. Схемы, как правило, применяются, когда требуется отключать тиристор с помощью дополнительной цепи. В этих случаях механический выключатель можно заменить вспомогательным тиристором или ключевым транзистором.
Перечень тиристоров
Зарубежные тиристоры
| Обозначение | IT(RMS),A | IT(AV),A | ITSM,A | UGT, В | IGT,mA | IH,mA | UDRM, URRM, В |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ВТ149 | 0.8 | 8 | >0,8 | >0,2 | <5 | 200/600 | |
| ВТ169 | 0.8 | 0.5 | 8 | >0,8 | >0,2 | <5 | 200/600 |
| 2N5064 | 0.8 | 0.5 | 10 | >0,8 | >0,2 | <5 | 200 |
| BTW148 | 1 | 0.6 | 10 | >1,5 | >0,2 | <6 | 400/600 |
| ВТ148 | 4 | 2.5 | 25 | >1,5 | >0,2 | <6 | 400/600 |
| ВТ150 | 4 | 25 | >1,5 | >0,2 | <6 | 500 | |
| TLS106 | 4 | 2.5 | 35 | <1 | <0,2 | <5 | 50/600 |
| TLS107 | 4 | 2.5 | 35 | <1 | <0,5 | <5 | 50/600 |
| ВТ151 | 12 | 7.5 | 100 | >1,5 | >15 | <20 | 500/800 |
| BT151F | 9 | 5.7 | 100 | >1.5 | >15 | <20 | 500/800 |
| ВТ152 | 20 | 13 | 200 | >1 | >32 | <60 | 400/800 |
| ВТ145 | 25 | 16 | 300 | >1 | >35 | <60 | 500/800 |
| 2P4(6)M | 2 | 20 | >0,8 | >0,2 | <3 | 400/600 | |
| X0405 | 4 | 2.5 | 33 | >0,8 | >0,2 | <5 | 600/800 |
IT(RMS) — Среднеквадратичный ток в открытом состоянии
IT(AV) — Средний ток в открытом состоянии
ITSM — Неповторяющийся пиковый ток в открытом состоянии
UGT — Напряжение управляющего электрода триггера
IGT – Ток управляющего электрода триггера
IH — Ток удержания
UDRM, URRM — Повторяющиеся пиковые напряжения в закрытом состоянии
Отечественные тиристоры
Некоторые типы корпусов
