Что такое тиристор. Принцип работы и правила пользования

Тиристор это четырёхслойный полупроводниковый прибор, слои расположены последовательно их типы проводимости чередуются: p‑n‑p‑n. p‑n‑переходы между слоями на рисунке обозначены как «П1», «П2» и «П3». Контакт присоединенный к внешнему p‑слою называется анодом, к внешнему n‑слою - катодом. В принципе тиристор может иметь до двух управляющих электродов, присоединённых к внутренним слоям. Но обычно изготавливаются тиристоры с одним управляющим электродом, либо вообще без управляющих электродов (такой прибор называется динистором).

Для включения тиристора достаточно кратковременно подать сигнал на управляющий электрод — тиристор откроется и будет оставаться в этом состоянии пока ток через тиристор не станет меньше тока удержания.

Итак, главный принцип работы тиристора и схем на его основе — открываем тиристор подачей сигнала на усправляющий электрод, закрываем снижая ток анод-катод.

Как и в биполярном транзистор главную роль в принципе действия играют неосновные носители заряда (ННЗ) и обратно-смещенный p-n- переход. Пока неосновных носителей мало переход закрыт, но стоит подкинуть ННЗ к переходу и он откроется.
В тиристоре есть два основных способа добавить ННЗ:
1) закачать ток в управляющий электрод;
2) поднять напряжение настолько чтобы возник лавинный пробой.

Динисторное включение тиристора

Для начала рассмотрим второй случай, то есть когда управляющий электрод тиристора отключен.

При подаче напряжения прямой полярности, крайние переходы смещаются в прямом направлении, а средний – в обратном. При значительном увеличении напряжения на силовых электродах, через крайние (П1 и П3), примыкающие к среднему, переходы начинают перемещаться неосновные носители, уменьшая его сопротивление. Процесс происходит медленно, а сопротивление остается большим, но лишь до определенного момента. При некотором значении напряжения (как правило, несколько сотен вольт) процесс становится лавинным(точка 1 на ВАХ), неосновные носители заряда заменяются основными, отпирая средний переход (П2) и уменьшая сопротивление анод-катод. Тиристор отпирается, а падение напряжения между силовыми электродами падает до единиц Вольт (точка 2 на ВАХ).

Дальнейший рост тока ведет только к небольшому росту падения напряжения на тиристоре участок ВАХ от точки 2 до точки 3, это рабочий режим открытого тиристора.

Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий ток ниже тока удержания. Причем падение напряжения соответствующее этому току многократно ниже отпирающего напряжения.

Но зачем тиристору управляющий электрод? Какие преимущества есть у тиристора перед динистором? Дело в том, что подавая напряжение через резистор на управляющий электрод можно увеличивать концентрацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь будет снижать величину напряжения включения тиристора.

А при какой-то величине тока управляющего электрода больше не будет горба на ВАХ, т.е. ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода, кстати этот ток называют током спрямления.

Режим обратного запирания тиристора

При обратном включении тиристора крайние переходы (П1 и П3) смещаются в обратном направлении, а средний в прямом (П2). Тиристор остается закрытым пока не наступит тепловой пробой.

Физические процессы

Если пары по физическим основам электроники на которых рассматривался транзистор я ещё как-то выдерживал, то энергетические зонные диаграммы объясняющие принцип работы тиристора уже были слишком сложны. Очень много ньюансов в концетрациях носителей заряда, толщинах слоев и уровне легирования.
Конечно, чтобы изготовить тиристор с хорошими характеристиками физические процессы протекающие в кристалле полупроводника нужно знать и понимать. Но для разработки электронных схем достаточно знать вольт-амперную характеристику тиристора и его транзисторную модель.

Одну четрехслойную полупроводниковую структуру можно представить как две трехслойные, если посмотреть на рисунок, то в трехслойных структурах можно увидеть два биполярных транзистора n-p-n и p-n-p структуры.

Пока оба транзистора закрыты, ток через них не протекает. Но стоит открытся хоть одному из них, то он тут же откроет второй. Ток коллектора первого транзистора поступит в базу второго и откроет его, а ток коллектора второго, будет являтся базовым для первого и будет поддерживать открытым первый транзистор. Получаетя что оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии. И чтобы они закрылись, нужно снизить ток через ниж ниже определенной величины, так называемого тока удержания.

Тиристор. Устройство, назначение.

Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор с тремя p–n -переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями электрического равновесия: закрытым и открытым.

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

1 тиристор, как и диод, проводит ток в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;

2 тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния.

3 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;

Устройство и основные виды тиристоров

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n -структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n , содержащий три последовательно соединённых p-n -перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p -слою называется анодом, к внешнему n -слою - катодом. В общем случае p-n-p-n -прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором . Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как ихВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется такжесимистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов , часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

· Между точками 0 и (Vвo,IL) находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора - прямое запирание (нижняя ветвь).

· В точке Vво происходит включение тиристора (точка переключения динистора во включённое состояние).

· Между точками (Vво, IL) и (Vн,Iн) находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением-неустойчивая область переключения во включённое состояние. При подаче разности потенциалов между анодом и катодом тиристора прямой полярности больше Vно происходит отпирание тиристора (динисторный эффект).

· Участок от точки с координатами (Vн,Iн) и выше соответствует открытому состоянию (прямой проводимости)

· На графике показаны ВАХ с разными токами управления (токами на управляющем электроде тиристора) IG (IG=0; IG>0; IG>>0), причём чем больше ток IG, тем при меньшем напряжении Vbo происходит переключение тиристора в проводящее состояние

· Пунктиром обозначен т. н. «ток включения спрямления» (IG>>0), при котором тиристор переходит в проводящее состояние при минимальном напряжении анод-катод. Для того, чтобы перевести тиристор обратно в непроводящее состояние необходимо снизить ток в цепи анод-катод ниже тока включения спрямления.

· Участок между 0 и Vbr описывает режим обратного запирания прибора.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0-3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

В схемах и технической документации часто используются различные термины и знаки, но не все начинающие электрики знают их значение. Предлагаем обсудить, что такое силовые тиристоры для сварки, их принцип работы, характеристики и маркировка этих приборов.

Что такое тиристор и их виды

Многие видели тиристоры в гирлянде «Бегущий огонь», это самый простой пример описываемого устройства и как оно работает. Кремниевый выпрямитель или тиристор очень похож на транзистор. Это многослойное полупроводниковое устройство, основным материалом которого является кремний, чаще всего в пластиковом корпусе. Из-за того, что его принцип работы очень схож с ректификационным диодом (выпрямительные приборы переменного тока или динисторы), на схемах обозначение часто такое же – это считается аналог выпрямителя.

Фото – Cхема гирлянды бегущий огонь

Бывают :

• ABB запираемые тиристоры (GTO),
• стандартные SEMIKRON,
• мощные лавинные типа ТЛ-171,
• оптронные (скажем, ТО 142-12,5-600 или модуль МТОТО 80),
• симметричные ТС-106-10,
• низкочастотные МТТ,
• симистор BTA 16-600B или ВТ для стиральных машин,
• частотные ТБЧ,
• зарубежные TPS 08,
• TYN 208.

Но в это же время для высоковольтных аппаратов (печей, станков, прочей автоматики производства) используют транзисторы типа IGBT или IGCT.

Фото – Тиристор

Но, в отличие от диода, который является двухслойным (PN) трехслойного транзистора (PNP, NPN), тиристор состоит из четырех слоев (PNPN) и этот полупроводниковый прибор содержит три p-n перехода. В таком случае, диодные выпрямители становятся менее эффективными. Это хорошо демонстрирует схема управления тиристорами, а также любой справочник электриков (например, в библиотеке можно бесплатно почитать книгу автора Замятин).

Тиристор – это однонаправленный преобразователь переменного тока, то есть он проводит ток только в одном направлении, но в отличие от диода, устройство может быть сделано для работы в качестве коммутатора разомкнутой цепи или в виде ректификационного диода постоянного электротока. Другими словами, полупроводниковые тиристоры могут работать только в режиме коммутации и не могут быть использованы как приборы амплификации. Ключ на тиристоре не способен сам перейти в закрытое положение.

Кремниевый управляемый выпрямитель является одним из нескольких силовых полупроводниковых приборов вместе с симисторами, диодами переменного тока и однопереходными транзисторами, которые могут очень быстро переключаться из одного режима в другой. Такой тиристор называется быстродействующим. Конечно, большую роль здесь играет класс прибора.

Применение тиристора

Назначение тиристоров может быть самое различное, например, очень популярен самодельный сварочный инвертор на тиристорах, зарядное устройство для автомобиля (тиристор в блоке питания) и даже генератор. Из-за того, что сам по себе прибор может пропускать как низкочастотные, так и высокочастотные нагрузки, его также можно использовать для трансформатора для сварочных аппаратов (на их мосте используются именно такие детали). Для контроля работы детали в таком случае необходим регулятор напряжения на тиристоре.

Фото – применение Тиристора вместо ЛАТРа

Не стоит забывать и про тиристор зажигания для мотоциклов.

Описание конструкции и принцип действия

Тиристор состоит из трех частей: «Анод», «Катод» и «Вход», состоящий из трех p-n переходов, которые могут переключаться из положений «ВКЛ» и «ВЫКЛ» на очень высокой скорости. Но при этом, он также может быть переключен с позиции «ВКЛ» с различной продолжительности по времени, т. е. в течение нескольких полупериодов, чтобы доставить определенное количество энергии к нагрузке. Работа тиристора можно лучше объяснить, если предположить, что он будет состоять из двух транзисторов, связанных друг с другом, как пара комплементарных регенеративных переключателей.

Самые простые микросхемы демонстрируют два транзистора, которые совмещены таким образом, что ток коллектора после команды «Пуск» поступает на NPN транзистора TR 2 каналы непосредственно в PNP-транзистора TR 1. В это время ток с TR 1 поступает в каналы в основания TR 2 . Эти два взаимосвязанных транзистора располагаются так, что база-эмиттер получает ток от коллектора-эмиттера другого транзистора. Для этого нужно параллельное размещение.

Фото – Тиристор КУ221ИМ

Несмотря на все меры безопасности, тиристор может непроизвольно переходить из одного положения в другое. Это происходит из-за резкого скачка тока, перепада температур и прочих разных факторов. Поэтому перед тем, как купить тиристор КУ202Н, Т122 25, Т 160, Т 10 10, его нужно не только проверить тестером (прозвонить), но и ознакомиться с параметрами работы.

Типичные тиристорные ВАХ

Для начала обсуждения этой сложной темы, просмотрите схему ВАХ-характеристик тиристора:

Фото – характеристика тиристора ВАХ

1. Отрезок между 0 и (Vвo,IL) полностью соответствует прямому запиранию устройства;
2. В участке Vво осуществляется положение «ВКЛ» тиристора;
3. Отрезок между зонами (Vво, IL) и (Vн,Iн) – это переходное положение во включенном состоянии тиристора. Именно в этом участке происходит так называемый динисторный эффект;
4. В свою очередь точки (Vн,Iн) показывают на графике прямое открытие прибора;
5. Точки 0 и Vbr – это участок с запиранием тиристора;
6. После этого следует отрезок Vbr - он обозначает режим обратного пробоя.

Естественно, современные высокочастотные радиодетали в схеме могут влиять на вольт-амперные характеристики в незначительной форме (охладители, резисторы, реле). Также симметричные фототиристоры, стабилитроны SMD, оптотиристоры, триодные, оптронные, оптоэлектронные и прочие модули могут иметь другие ВАХ.

Фото – ВАХ тиристора

Кроме того, обращаем Ваше внимание, что в таком случае защита устройств осуществляется на входе нагрузки.

Проверка тиристора

Перед тем, как купить прибор, нужно знать, как проверить тиристор мультиметром. Подключить измерительный прибор можно только к так называемому тестеру. Схема, по которой можно собрать такое устройство, представлена ниже:

Фото – тестер тиристоров

Согласно описанию, к аноду необходимо подвести напряжение положительного характера, а к катоду – отрицательного. Очень важно использовать величину, которая соответствует разрешению тиристора. На чертеже показаны резисторы с номинальным напряжением от 9 до 12 вольт, это значит, что напряжение тестера немного больше, чем тиристора. После того, как Вы собрали прибор, можно начинать проверять выпрямитель. Нужно нажать на кнопку, которая подает импульсные сигналы для включения.

Проверка тиристора осуществляется очень просто, на управляющий электрод кнопкой кратковременно подается сигнал на открытие (положительный относительно катода). После этого если на тиристоре загорелись бегущие огни, то устройство считается нерабочим, но мощные приборы не всегда сразу реагируют после поступления нагрузки.

Фото – схема тестера для тиристоров

Помимо проверки прибора, также рекомендуется использовать специальные контроллеры или блок управления тиристорами и симисторами ОВЕН БУСТ или прочие марки, он работает примерно также, как и регулятор мощности на тиристоре. Главным отличием является более широкий спектр напряжений.

Видео: принцип работы тиристора

Технические характеристики

Рассмотрим технические параметры тиристора серии КУ 202е. В этой серии представляются отечественные маломощные устройства, основное применение которых ограничивается бытовыми приборами: его используют для работы электропечей, обогревателей и т.д.

На чертеже ниже представлена цоколевка и основные детали тиристора.

Фото – ку 202

1. Установленное обратное напряжение в открытом состоянии (макс) 100 В
2. Напряжение в закрытом положении 100 В
3. Импульс в открытом положении – 30 А
4. Повторяющийся импульс в открытом положении 10 А
5. Среднее напряжение <=1,5 В
6. Неотпирающее напряжение >=0,2 В
7. Установленный ток в открытом положении <=4 мА
8. Ток обратный <=4 мА
9. Отпирающий ток постоянного типа <=200 мА
10. Установленное постоянное напряжение <=7 В
11. Время включения <=10 мкс
12. Время выключения <=100 мкс

Включение устройства осуществляется в течение микросекунд. Если Вам понадобится замена описанного прибора, то проконсультируйтесь с продавцом-консультантом электромагазина – он сможет подобрать аналог по схеме.

Фото – тиристор ку202н

Цена тиристора зависит от его марки и характеристик. Мы рекомендуем покупать отечественные приборы – они более долговечны и отличаются доступной стоимостью. На стихийных рынках можно купить качественный мощный преобразователь до сотни рублей.

Перед тем как разбираться с темой «тиристор – принцип работы», необходимо понять, что собой представляет этот небольшой прибор. По сути, это силовой ключ, только он всегда находится в открытом состоянии. Поэтому его часто называют не полностью управляемый ключ.

Необходимо отметить, что по своему устройству тиристор напоминает обыкновенный транзистор или диод. Правда, есть и существенные отличия. К примеру, диод – это полупроводниковый двухслойный элемент на кремневой основе (PN), транзистор – трехслойный (PNP или NPN), тиристор – четырехслойный (PNPN). То есть, у него три перехода p-n. Именно поэтому диодные выпрямители перед тиристорными являются менее эффективными. Это хорошо видно на схеме управления тиристорами.

Где применяются тиристоры

Область применения тиристоров обширна. К примеру, из них можно собрать инвертор для сварки или зарядное автомобильное устройство. Некоторые умельцы своими руками собирают даже генераторы. Самое важное, что тиристоры могут через себя пропускать токи и высокочастотные, и низкочастотные. Поэтому, собрав мост из этих приборов, можно изготовить трансформатор и для сварочного аппарата.

Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

• Анод.
• Катод.
• Вход.

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.

Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

• Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
• Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
• Величина самой токовой нагрузки.
• Напряжение в цепи.
• Температура самого прибора.

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

• Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
• Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Управление тиристорами

В силовых электронных аппаратах чаще всего используется или фазное, или широтно-импульсное управление тиристором.

В первом случае регулировать токовую нагрузку можно за счет изменения углов или α, или θ. Это относится к принудительной нагрузке. Искусственную нагрузку можно регулировать только с помощью управляемого тиристора, который также называется запираемый.

При ШИМ (широтно-импульсной модуляции) во время Тоткр сигнал подается, а, значит, сам прибор находится в открытом состоянии, то есть, ток подается с напряжением Uн. В период времени Тзакр сигнал отсутствует, а сам прибор находится непроводящем состоянии.

Тиристорные светодиоды

Обычно тиристор и светодиод в одном светильнике не устанавливаются. Его место заменяет диод, который работает и на включение, и на отключение, как обычный ключ. Это связано с разными причинами, где основная – это конструкция и принцип действия самого прибора, который всегда находится в открытом состоянии. В настоящее время ученые изобрели так называемый тиристорный светодиод.

Во-первых, тиристорный светодиод в своем составе кроме кремния имеет: галлий, алюминий, индий, мышьяк и сурьму. Во-вторых, спектр излучения при n-переходах между материалами создает волну длиною 1,95 мкм. А это достаточно большая оптическая мощность, если ее сравнивать с диодным элементом, который производит световые волны в том же диапазоне.