Назначение тиристора: характеристики, параметры, принцип работы, виды и назначение тиристоров

Содержание

Тиристор назначение и принцип работы. Назначение тиристоров. Двухтранзисторная модель тиристора

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор - это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием - не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод - это контакт с внешним p-слоем, катод - с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы



Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области - эмиттерными, а центральный переход - коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.


К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать - режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).

После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения - это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение - это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение - это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток - это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток - ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току - увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор - не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

Для того чтобы ясно представить себе работу необходимо дать понятие о сущности работы тиристора.

Управляемый проводник, состоящий из четырех полупроводниковых переходов P-N-P-N. Его принцип работы аналогичен работе диода и осуществляется при поступлении на управляющий электрод электротока.

Прохождение через тиристор тока возможно только в том случае, если потенциал анода будет выше, чем потенциал катода. Ток через тиристор прекращает проходить тогда, когда величина тока снизится до порога закрытия. Ток, который поступает на управляющий электрод не оказывает воздействие на величину тока в основной части тиристора и, кроме того ему не нужна постоянная поддержка при основном состоянии тиристора, он необходим исключительно для открытия тиристора.

Существует несколько решающих характеристик тиристора

В открытом состоянии, благоприятном для токопроводящей функции тиристор характеризуют следующие показатели:

  • Падение напряжения, оно определяется как пороговое напряжение с помощью внутреннего сопротивления.
  • Максимально допустимое значение тока до 5000 А, среднеквадратичная величина, свойственная для самых мощных компонентов.

В запертом состоянии тиристора – это:

  • Прямое максимально допустимое напряжение (выше, чем 5000А).
  • В общем случае прямое и обратное значение напряжения одинаковы.
  • Время запирания или время с минимальным значением, в течение которого на тиристор не осуществляется влияние положительного значения напряжения анода относительно катода, иначе произойдет самопроизвольное отпирание тиристора.
  • Ток управления, свойственный для открытой основной части тиристора.

Существуют тиристоры, предназначенные для работы в схемах, рассчитанных на небольшое значение частоты и для схем с высокой частотой. Это так называемые быстродействующие тиристоры, их область применения рассчитана на несколько килогерц. Для быстродействующих тиристоров характерно использование неодинакового прямого и обратного напряжения.

Для увеличения постоянного значения напряжения

Рис. №1. Габаритно-присоединительные размеры и чертеж тиристора. m 1, m 2 –контрольные точки, в которых происходит замер импульсного напряжения во время открытого состояния. L 1 min –наименьший воздушный промежуток (расстояние) по воздуху между выводами анода и управляющего электрода; L 2 min – минимальное расстояние длина прохождения тока утечки между выводами.

Разновидности тиристоров

  • – тиристор диодный, имеет два вывода анод и катод.
  • Тринистор – триодный тиристор оснащен добавочным управляющим электродом.
  • Симистор – симметричный тиристор, он является встречно-последовательным соединением тиристоров, обладает возможностью пропускать ток в прямом и обратном направлениях.

Рис. №2. Структура (а) и вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора.

Тиристоры предназначены для работы в схемах с различными границами частот, в обычном применении тиристоры могут соединяться с диодами, который подключается встречно-включенным способом, это свойство используется для того чтобы увеличить постоянное напряжение, величину которого компонент способен выдержать в выключенном состоянии. Для усовершенствованных схем используется тиристор GTO (Gate Turn Oee – запираемый тиристор) , он полностью управляем. Его запирание происходит по управляющему электроду. Использование тиристоров подобного рода нашло применение в очень мощных преобразователях, так как он может пропускать высокие токи.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

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.


8 января 2013 в 19:23
  • Электроника для начинающих

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор - это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием - не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод - это контакт с внешним p-слоем, катод - с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы



Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области - эмиттерными, а центральный переход - коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.


К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать - режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения - это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение - это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение - это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток - это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток - ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току - увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор - не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

  • — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
  • — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
  • — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.


Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

  • — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
  • — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
  • — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
  • — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Что такое тиристор и как он работает. Назначение тиристоров

Тиристор представляет собой электронный силовой частично управляемый ключ. Этот прибор, с помощью сигнала управления может находиться только в проводящем состоянии, то есть быть включенным. Для того, чтобы его выключить, нужно проводить специальные мероприятия, которые обеспечивают падение прямого тока до нулевого значения. Принцип работы тиристора заключается в односторонней проводимости, в закрытом состоянии может выдержать не только прямое, но и обратное напряжение.

Свойства тиристоров

По своим качествам, тиристоры относятся к полупроводниковым приборам. В их полупроводниковой пластине присутствуют смежные слои, обладающие различными типами проводимости. Таким образом, каждый тиристор представляет собой прибор, имеющий четырехслойную структуру р-п-р-п.

К крайней области р-структуры производится подключение положительного полюса источника напряжения. Поэтому, данная область получила название анода. Противоположная область п-типа, куда подключается отрицательный полюс, называется катодом. Вывод из внутренней области осуществляется с помощью р-управляющего электрода.

Классическая модель тиристора состоит из двух , имеющих разную степень проводимости. В соответствии с данной схемой, производится соединение базы и коллектора обоих транзисторов. В результате такого соединения, питание базы каждого транзистора осуществляется с помощью коллекторного тока другого транзистора. Таким образом, получается цепь с положительной обратной связью.

Если ток отсутствует в управляющем электроде, то транзисторы находятся в закрытом положении. Течение тока через нагрузку не происходит, и тиристор остается закрытым. При подаче тока выше определенного уровня, в действие вступает положительная обратная связь. Процесс становится лавинообразным, после чего происходит открытие обоих транзисторов. В конечном итоге, после открытия тиристора, наступает его стабильное состояние, даже в случае прекращения подачи тока.

Работа тиристора при постоянном токе

Рассматривая электронный тиристор принцип работы которого основан на одностороннем движении тока, следует отметить его работу при постоянном токе.

Обычный тиристор включается путем подачи импульса тока в цепь управления. Эта подача осуществляется со стороны положительной полярности, противоположной, относительно катода.

Во время включения, продолжительность переходного процесса обусловлена характером нагрузки, амплитудой и скоростью, с которой нарастает импульс тока управления. Кроме того, этот процесс зависит от температуры внутренней структуры тиристора, тока нагрузки и приложенного напряжения. В цепи, где установлен тиристор, не должно быть недопустимой скорости роста напряжения, которое может привести к его самопроизвольному включению.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

  • — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
  • — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
  • — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.


Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

  • — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
  • — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
  • — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
  • — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях - закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Одна из крайних областей, на которую подключают положительный полюс питания называют анод , р – типа
Другая, к которой подсоединяют отрицательное полюс напряжения, называют катод , – n типа
Управляющий электрод подключен к внутренним слоям.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается , тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1 .

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня - напряжение включения U вкл , в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер . В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p -области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n -области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах , через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении R n растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как на прямой ветви - отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает .

Напряжение включения U вкл , можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод , запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – U упр . Как хорошо видно из графика – при росте U упр напряжение включения снижается.

Основные характеристики тиристоров

U вкл напряжение включения – при нем осуществляется переход тиристора в открытое состояние
U o6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение при нем происходит электрический пробой p-n перехода. Для многих тиристоров будет верно выражение U o6p.max . = U вкл
I max - максимально допустимое значение тока
I ср - среднее значение тока за период U np - прямое падение напряжения при открытом тиристоре
I o6p.max - обратный максимальный ток начинающий течь при приложении U o6p.max , за счет перемещения неосновных носителей заряда
I удерж ток удержания – значение анодного тока, при котором осуществляется запирание тиристора
P max - максимальная рассеиваемая мощность
t откл - время отключения необходимое для запирания тиристора

Запираемые тиристоры - имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

В отличие от своих четырехслойных родственников - тиристоров, они имеют пятислойную структуру.


Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.


Принцип работы симистора

Если у стандартного тиристора имеются анод и катод то электроды симистора так описать нельзя т.к каждый уго электрод является и анодом и катодом одновременно. Поэтому симистор способен пропускать ток в обоих направлениях. Именно поэтому он отлично работает в цепях переменного тока.

Очень простой схемой, поясняющей принцип симистора является регулятор симисторный регулятор мощности.


После подачи напряжения на один из выводов симистора поступает переменное напряжение. На электрод, являющийся управляющим с диодного моста поступает отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор отпирается и ток поступает в подключенную нагрузку. В момент времени, когда на входе симистора меняется полярность напряжения он запирается. Затем алгоритм повторяется.

Чем выше уровень управляющего напряжения тем быстрее срабатывает симистор и длительность импульса на нагрузке увеличивается. При снижении уровня управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке также снижается. На выходе симисторного регулятора напряжение будет пилообразной формы с регулируемой длительностью импульса. Таким образом, регулируя управляющее напряжение мы можем изменять яркость лампочки накаливания или температуру жала паяльника подключенных в качестве нагрузки.

Итак симистор управляется как отрицательным так и положительным напряжением. Давайте выделим его минусы и плюсы.

Плюсы: низкая стоимость, большой срок службы, отсутствие контактов и, как следствие, отсутствие искрения и дребезга.
Минусы: достаточно чувствителен к перегреву и его обычно монтируют на радиаторе. Не работает на высоких частотах, так как не успевает переходить из открытого состояния в закрытое. Реагирует на внешниепомехи, вызывающие ложное срабатывание.

Следует также упомянуть о особенностях монтажа симисторов в современной электронной техники.

При малых нагрузках или если в ней протекают короткие импульсные токи, монтаж симисторов можно осуществлять без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях – его наличие строго обязательно.
К теплоотводу тиристор может фиксироваться крепежным зажимом или винтом
Для снижения вероятности ложного срабатывания из-за шумов, длина проводов должна быть минимальна. Для подсоединения рекомендуется использовать экранированный кабель или витую пару.

Или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень и надежности конструкции.

Силовые ключи . Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность, которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется, т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Принцип работы и свойства динистора, схемы на динисторах

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

Появление четырехслойных p-n-p-n полупроводниковых элементов совершило настоящий прорыв в силовой электронике. Такие устройства получили название «тиристоров». Кремниевые управляемые вентили являются наиболее распространенным семейством тиристоров.

Данный вид полупроводниковых приборов имеет следующую структуру:

Как видим из структурной схемы тиристор имеет три вывода – катод, управляющий электрод и анод. Подключению к силовым цепям подлежат анод и катод, а управляющий электрод подключается к системе управления (слаботочные сети) для управляемого открытия тиристора.

На принципиальных схемах тиристор имеет такое обозначение:

Вольт-амперная характеристика показана ниже:

Давайте подробнее рассмотрим эту характеристику.

Обратная ветвь характеристики

В третьем квадранте характеристики диодов и тиристоров равны. Если к аноду приложить отрицательный потенциал относительно катода, то к J 1 и J 3 прикладывается обратное напряжение, а к J 2 — прямое, что вызовет протекание тока обратного (он очень мал, как правило несколько миллиампер). Когда же это напряжение увеличится до так называемого напряжения пробоя, произойдет лавинное нарастание тока между J 1 и J 3 . При этом, если данный ток не будет ограничен, то произойдет пробой перехода с последующим выходом из строя тиристора. При обратных же напряжениях, которые не превышают напряжения пробоя, тиристор будет вести себя как резистор с большим сопротивлением.

Зона низкой проводимости

В данной зоне все наоборот. Потенциал катода будет отрицательный по отношению к потенциалу анода. Поэтому к J 1 и J 3 будет приложено прямое, а к J 2 – обратное напряжение. Результатом чего станет весьма малый анодный ток.

Зона высокой проводимости

Если напряжение на участке анод – катод достигнет значения, так называемого напряжением переключения, то произойдет лавинный пробой перехода J 2 и тиристор будет переведен в состояние высокой проводимости. При этом U a снизится от нескольких сотен до 1 — 2 вольт. Оно будет зависеть от типа тиристора. В зоне высокой проводимости ток, протекающий через анод, будет зависеть от нагрузки внешней элемента, что дает возможность рассматривать его в этой зоне как замкнутый ключ.

Если пропустить ток через управляющий электрод, то напряжение включения тиристора уменьшится. Оно напрямую зависит от тока управляющего электрода и при достаточно большом его значении практически равно нулю. При выборе тиристора для работы в схеме, то его подбирают таким образом, чтоб напряжения обратное и прямое не превышали паспортных значений напряжений пробоя и переключения. Если эти условия выполнить трудно, или имеется большой разброс в параметрах элементов (например необходим тиристор на 6300 В, а его ближайшие значения 1200 В), то иногда применяют или включение элементов.

В нужный момент времени с помощью подачи импульса на управляющий электрод можно перевести тиристор с закрытого состояния в зону высокой проводимости. Ток УЭ, как правило, должен быть выше минимального тока открытия и он составляет порядка 20-200 мА.

Когда анодный ток достигнет определенного значения, при котором запирания тиристора невозможно (ток переключения), управляющий импульс может быть снят. Теперь тиристор сможет перейти обратно в закрытое состояние только при уменьшении тока ниже, чем ток удержания, или прикладыванием к нему напряжения обратной полярности.

Видео работы и графики переходных процессов

Данный прибор можно рассматривать и применять в качестве электронного выключателя или ключа, которые управляются с помощью нагрузки слабыми сигналами, а также могут переключаться из одного режима в другой. Общее количество современных тиристоров разделяется по способу управления и по степени проводимости, одно направление или два (такие приборы также называют симисторами).

Тиристоры также характеризуются нелинейной вольтамперной особенностью с наличием участка отрицательного дифференциального сопротивления. Эта особенность делает подобные приборы схожими с транзисторными ключами, но имеются между ними и различия. Так в переход из одного состояния в другое в цельной электрической цепи происходит путем лавинообразного скачка, а также методом внешнего воздействия на сам прибор. Последнее осуществляется двумя вариантами – токовым напряжением или воздействием света фототиристора.

Применение и типы тиристоров

Сфера применения данных приборов довольно разнообразна – это электронные ключи, современные системы CDI, механически управляемые выпрямители, диммеры или регуляторы мощности, а также инверторные преобразователи.

Как уже говорилось выше, подобные приборы разделяются на диодные и триодные. Первый тип также называют динисторами с двумя выводами, он разделяется на приборы, не имеющие возможность осуществлять проводимость в обратном направлении, на тип с проводимостью в обратном направлении и на симметричные приборы. Второй включает в себя триодные тиристоры с проводимостью в обратном направлении, приборы с отсутствием проводимости в обратном направлении, симметричные тиристоры, ассиметричные приборы и запираемые тиристоры.

Между ними, кроме количества выводов, нет существенных и принципиальных различий. Но, если в динисторе открытие происходит после достижения между анодом и катодом напряжения, зависящего от типа устройства, то в тиристоре имеющееся напряжение может быть в разы снижено или вовсе снято с помощью подачи токового импульса.

Существуют различия между триодными тиристорами и запираемыми приборами. Так у первого типа переключение в режим закрытого состояния происходит после снижения тока или после изменения полярности, а у запираемых устройств переход в открытое осуществляется путем воздействия тока на управляющий электрод.

Тиристор, вольт-амперные характеристики, основные параметры и типы тиристоров

Тиристор - это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Структура тиристора состоит из четырех слоев кристалла полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рис. 1). Крайние области структуры — соответственно p- и n-эмиттеры, а области, примыкающие к среднему переходу, p - и n - баз.

Внешнее напряжение на такой прибор подается минусом на крайнюю область с электропроводностью n-типа (на катодный электрод) и плюсом на крайнюю область с электропроводностью р типа (на анодный электрод). В этом случае крайние р-n переходы П1, ПЗ включены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными, средний р-n переход П2 включен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Структуру тиристора можно пред ставить в виде схемы замещения (рис. 2), состоящей из транзисторов VI и V2 соответственно p - n - p и n -p- n типа.

В этой схеме для учета нелинейной зависимости коэффициентов усиления α1 и α2 от тока эмиттерные переходы транзисторов шунтируются резисторами R1 и R2. База и коллектор транзистора VI соединены соответственно с коллектором и базой транзистора V2, образуя цепь внутренней положительной обратной связи. Если к аноду тиристора подключить положительный полюс источника питания, а к катоду — отрицательный, то П1 и ПЗ сместятся в прямом, а П2 — в обратном направлении (см. рис.1)

Таким образом, напряжение источника питания окажется, приложенным к переходу П2 и ток во внешней цепи будет определяться выражением I = Iко / [1 - (α1 + α2)], где Iко - обратный ток перехода П2. Из этого выражения следует, что ток I зависит от α1 и α2 и резко возрастает, когда их сумма приближается к единице. Коэффициента α1 и α2 зависят от тока эмиттера, напряжения на коллекторном переходе, а также от других факторов. Тиристор, имеющий выводы только от крайних слоев, называется диодным тиристором или динистором; при дополнительном выводе от одного из средних слоев он называется трйодным тиристором или тринистором.

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора представлена на рис. 3. Участок OA соответствует - выключенному (закрытому) состояний тиристора. На этом участке через тиристор протекает ток утечки Iзс и его сопротивление очень велико (порядка нескольких мегаОм). При повышении напряжения до определенного Uпрк (точка А характеристики) ток через тиристор резко возрастает. Дифференциальное сопротивление тиристора в точке А равно нулю. На участке АБ дифференциальное сопротивление тиристора отрицательное. Этот участок соответствует неустойчивому состоянию тиристора. При включении последовательно с тиристором небольшого сопротивления нагрузки рабочая точка перемещается на участок БВ, соответствующий включенному состоянию тиристора. На этом участке дифференциальное сопротивление тиристора положительное. Для поддержания тиристора в открытом состоянии через него должен протекать ток не менее Iуд. Снижая напряжение на тиристоре, можно уменьшить ток до значения меньшего, чем Iуд, и перевести тиристор в выключенное состояние.

Вольт-амперная характеристика триодного тиристора (рис. 4), снятая при нулевом токе управляющего электрода, подобна характеристике диодного тиристора. Рост тока управляющего электрода (от Iу = О до Iу3) приводит к смещению вольт-амперной характеристики в сторону меньшего напряжения включения (от Uпрк до Uпрк3). При достаточно большом токе управляющего электрода, называемом током спрямления, вольт-амперная характеристика триодного тиристора вырождается в характеристику обычного диода, теряя участок отрицательного сопротивления. Для выключения триодного тиристора необходимо, снижая напряжение на нем, уменьшать ток через тиристор до значения, меньшего, чем Iуд.


Запираемые триодные теристоры в отличие от обычных триодных тиристоров способны переключаться из отпертого состояние в запертое при подаче сигнала отрицательной, полярности на управляющий электрод. Структура запираемого тиристора аналогична структуре обычного триодного тиристора. Способность тиристора к запиранию управляющему электроду характеризуется коэффициентом запирания

Кз= Iа/Iз= α2/(α1 + α2 - 1),
где Iа анодный ток, при котором происходит запирание.

Симметричные тиристоры - симисторы (в старых справочника можно встретить написание - семисторы) имеют пятислойную структуру и обладают отрицательным сопротивлением на прямой и обратной ветвях вольт-амперной характеристики. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики симметричного тиристора расположена в третьем квадранте и аналогична прямой ветви. Отпирание симисторов производится посредством сигналов управления, снятием разности потенциалов между силовыми электродами или изменением их полярности.

Обозначение советских типов тиристоров (ОСТ 11 336.919—81) состоит из пяти элементов. Второй элемент обозначает подкласс прибора: для тиристоров, диодных — Н; для тиристоров, триодных — У.
Третий элемент - назначение прибора:

Тиристоры диодные:
с максимально допустимым значением прямого тока не более 0,3А - 1
с максимально допустимым значением прямого тока более 0,3. но не более 10А - 2

Тиристоры триодные незапираемые:
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15А - 1
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 0,3, но не более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 15, но не более 100А - 2

с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10А ила с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состояния более 100А - 7

Тиристоры триодные запираемые:
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15А - 3
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 0,3, но не более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 15, но не более 100А - 4

с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10 А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100А - 8

Тиристоры триодные симметричные:
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15А - 5
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 0,3, но не более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 15, но не более 100А - 6

с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состаямш более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100А - 9

В соответствии с ГОСТ 10862—72 приборам, разрабатываемым до 1979 г., присваивалось обозначение, при котором третий элемент, определяющий назначение прибора, выбирался согласно:

Тиристоры диодные:
малой мощности (допустимый прямой ток не более 0,3 А) - 1
средней мощности (допустимый прямой ток более 0,8, но не более 10А) - 2

Тиристоры триодные незапираемые:
малой мощности - 1
средней мощности - 2

Тиристоры триодные запираемые: малой мощности - 3
средней мощности - 4

Тиристоры триодные симметричные незапираемые:
малой мощности - 5
средней мощности - 6

Например: тиристор триодный незапираемый, предназначенный для устройств широкого применения, кремниевый, средней мощности, номер разработки 15, группа Б — КУ215Б.


Условное графическое обозначение тиристоров, установленное ГОСТ 2.730-73, приведено на рис.

а - диодный тиристор; б — триодный симметричный тиристор; в — триодный - незапираемый тиристор с управлением по аноду; г — триодный незапираемый тиристор с управлением по катоду; д — триодный запираемой тиристор с управлением по аноду; е — триодный запираемый тиристор с управлением по катоду; ж — триодный симметричный незапираемый тиристор.

Основные параметры советских тиристоров, их определения и буквенные обозначения установлены ГОСТ 20332—84.

Напряжение переключения Uпрк — основное напряжение тиристора в точке переключения.

Ток включения тиристора Iвкл — наименьший основной ток тиристора, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии непосредственно после окончания действия импульса тока управления и переключения тиристора из закрытого состояния в открытое.

Ток удержания тиристора Iуд — наименьший основной ток тиристора, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Напряжение в открытом состоянии тиристора Uос - основное напряжение тиристора в открытом состоянии, обусловленное током в открытом состоянии.

Постоянный ток в закрытом состоянии Iз.с — основной ток тиристора в закрытом состоянии.

Постоянный обратный ток тиристора Iобр — постоянный анодный ток тиристора в непроводящем состоянии.

Незапирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.нз.и — наибольшее импульсное напряжение управления тиристора, не вызывающее включение тиристора.

Отпирающее напряжение тиристора Uот — наименьшее значение напряжения в закрытом состояний твристора, которое обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое.

Импульсное отпирающее напряжение тиристора Uот.и — наименьшее импульсное значение напряжения в закрытом состоянии тиристора, которое обеспечивает переключение тиристора из закрыого состояния в открытое.

Неотпирающий постоянный ток управления тиристора Iу.нот — наибольший постоянный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Неотпирающий импульсный ток управления тиристора Iу.нот.и — наибольший импульсный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Запирающий постоянный ток управления тиристора Iу.з — наименьший постоянный ток управления тиристора, необходимый для выключения тиристора.

Запирающий импульсный ток управления тиристора Iу.з и — наименьший импульсный ток управления тиристора, необходимый для выключения тиристора.

Незапирающий постоянный ток управления тиристора Iу.нз -наибольший постоянный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Незапирающий импульсный ток управления тиристора Iу.нз.и — наибольший импульсный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Отпирающий постоянный ток управления тиристора Iу.от.п — наименьший постоянный ток управления, необходимый для включения тиристора.

Отпирающий импульсный ток управления тиристора Iу.от.и — наименьший импульсный ток управления, необходимый для включения тиристора.

Отпирающее постоянное напряжение управления тиристора Uy.от — постоянное напряжение управления тиристора, соответствующее отпирающему постоянному току управления тиристора.

Отпирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.от.и — импульсное напряжение управления тиристора, соответствующее импульсному отпирающему току управления тиристора.

Неотпирающее постоянное напряжение управления тиристора Uу.нот — наибольшее постоянное напряжение управления тиристора, не вызывающее включения тиристора.

Неотпирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.нот.и - наибольшее импульсное напряжение управления тиристора, не вызывающее включения тиристора.

Запирающее постоянное напряжение управления тиристора Uу.з — постоянное напряжение управления тиристора, соответствующее запирающему постоянному току управления тиристора.

Запирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.з.и — импульсное напряжение управления тиристора, соответствующее запирающему импульсному току управления тиристора.

Незапирающее постоянное напряжение управления тиристора Uy.н.з — наибольшее постоянное напряжение управление тиристора, не вызывающее включения тиристора.

Общая емкость тиристора Собщ — емкость между основными выводами при заданном напряжении в закрытом состоянии тиристора.

Динамическое сопротивление в открытом состоянии тиристора Rдин — значение сопротивления, определяемое по наклону прямой, аппроксимирующей характеристику открытого состояния тиристора.

Время включения тиристора tвкл — интервал времени, в течение которого тиристор включается отпирающим током управления или переключается из закрытого состояния в открытое импульсным отпирающим напряжением. Время включения равняется сумме времени задержки и времени нарастания.

Время выключения тиристора tвыкл — наименьший интервал времени между моментом, когда основной ток тиристора после внешнего переключения основных цепей понизился до нуля, и моментом, в который определенное основное напряжение тиристора проходит через нулевое значение без переключения тиристора.

Предельно допустимые параметры. К ним относятся: постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии Uз.с.max, постоянное обратное напряжение управления Uу.обр.max, постоянное обратное напряжение Uобр.max, постоянный ток в открытом состоянии Iос.max, импульсный ток в открытом состоянии Iос.и.max, постоянный прямой ток управления Iу.max, средняя рассеиваемая мощность Pср.max.

Как работает тиристор для чайников. Тиристор назначение и принцип работы. Тиристор принцип работы. В качестве заключения

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях - закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Одна из крайних областей, на которую подключают положительный полюс питания называют анод , р – типа
Другая, к которой подсоединяют отрицательное полюс напряжения, называют катод , – n типа
Управляющий электрод подключен к внутренним слоям.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается , тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1 .

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня - напряжение включения U вкл , в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер . В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p -области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n -области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах, через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении R n растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как на прямой ветви - отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает .

Напряжение включения U вкл , можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод , запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – U упр . Как хорошо видно из графика – при росте U упр напряжение включения снижается.

Основные характеристики тиристоров

U вкл напряжение включения – при нем осуществляется переход тиристора в открытое состояние
U o6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение при нем происходит электрический пробой p-n перехода. Для многих тиристоров будет верно выражение U o6p.max . = U вкл
I max - максимально допустимое значение тока
I ср - среднее значение тока за период U np - прямое падение напряжения при открытом тиристоре
I o6p.max - обратный максимальный ток начинающий течь при приложении U o6p.max , за счет перемещения неосновных носителей заряда
I удерж ток удержания – значение анодного тока, при котором осуществляется запирание тиристора
P max - максимальная рассеиваемая мощность
t откл - время отключения необходимое для запирания тиристора

Запираемые тиристоры - имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

В отличие от своих четырехслойных родственников - тиристоров, они имеют пятислойную структуру.

Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.


Принцип работы симистора

Если у стандартного тиристора имеются анод и катод то электроды симистора так описать нельзя т.к каждый уго электрод является и анодом и катодом одновременно. Поэтому симистор способен пропускать ток в обоих направлениях. Именно поэтому он отлично работает в цепях переменного тока .

Очень простой схемой, поясняющей принцип симистора является регулятор симисторный регулятор мощности.

После подачи напряжения на один из выводов симистора поступает переменное напряжение. На электрод, являющийся управляющим с диодного моста поступает отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор отпирается и ток поступает в подключенную нагрузку. В момент времени, когда на входе симистора меняется полярность напряжения он запирается. Затем алгоритм повторяется.

Чем выше уровень управляющего напряжения тем быстрее срабатывает симистор и длительность импульса на нагрузке увеличивается. При снижении уровня управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке также снижается. На выходе симисторного регулятора напряжение будет пилообразной формы с регулируемой длительностью импульса. Таким образом, регулируя управляющее напряжение мы можем изменять яркость лампочки накаливания или температуру жала паяльника подключенных в качестве нагрузки.

Итак симистор управляется как отрицательным так и положительным напряжением. Давайте выделим его минусы и плюсы.

Плюсы: низкая стоимость, большой срок службы, отсутствие контактов и, как следствие, отсутствие искрения и дребезга.
Минусы: достаточно чувствителен к перегреву и его обычно монтируют на радиаторе. Не работает на высоких частотах, так как не успевает переходить из открытого состояния в закрытое. Реагирует на внешниепомехи, вызывающие ложное срабатывание.

Следует также упомянуть о особенностях монтажа симисторов в современной электронной техники.

При малых нагрузках или если в ней протекают короткие импульсные токи, монтаж симисторов можно осуществлять без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях – его наличие строго обязательно.
К теплоотводу тиристор может фиксироваться крепежным зажимом или винтом
Для снижения вероятности ложного срабатывания из-за шумов, длина проводов должна быть минимальна. Для подсоединения рекомендуется использовать экранированный кабель или витую пару.

Или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень и надежности конструкции.

Силовые ключи . Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность , которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется, т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Принцип работы и свойства динистора, схемы на динисторах

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор - это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам . Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием - не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод - это контакт с внешним p-слоем, катод - с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно.

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы


Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области - эмиттерными, а центральный переход - коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.



К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать - режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения - это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение - это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение - это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток - это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток - ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току - увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор - не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

Тиристор представляет собой электронный силовой частично управляемый ключ. Этот прибор, с помощью сигнала управления может находиться только в проводящем состоянии, то есть быть включенным. Для того, чтобы его выключить, нужно проводить специальные мероприятия, которые обеспечивают падение прямого тока до нулевого значения. Принцип работы тиристора заключается в односторонней проводимости, в закрытом состоянии может выдержать не только прямое, но и обратное напряжение.

Свойства тиристоров

По своим качествам, тиристоры относятся к полупроводниковым приборам. В их полупроводниковой пластине присутствуют смежные слои, обладающие различными типами проводимости. Таким образом, каждый тиристор представляет собой прибор, имеющий четырехслойную структуру р-п-р-п.

К крайней области р-структуры производится подключение положительного полюса источника напряжения. Поэтому, данная область получила название анода. Противоположная область п-типа, куда подключается отрицательный полюс, называется катодом. Вывод из внутренней области осуществляется с помощью р-управляющего электрода.

Классическая модель тиристора состоит из двух, имеющих разную степень проводимости. В соответствии с данной схемой, производится соединение базы и коллектора обоих транзисторов. В результате такого соединения, питание базы каждого транзистора осуществляется с помощью коллекторного тока другого транзистора. Таким образом, получается цепь с положительной обратной связью.


Если ток отсутствует в управляющем электроде, то транзисторы находятся в закрытом положении. Течение тока через нагрузку не происходит, и тиристор остается закрытым. При подаче тока выше определенного уровня, в действие вступает положительная обратная связь. Процесс становится лавинообразным, после чего происходит открытие обоих транзисторов. В конечном итоге, после открытия тиристора, наступает его стабильное состояние, даже в случае прекращения подачи тока.

Работа тиристора при постоянном токе

Рассматривая электронный тиристор принцип работы которого основан на одностороннем движении тока, следует отметить его работу при постоянном токе.

Обычный тиристор включается путем подачи импульса тока в цепь управления. Эта подача осуществляется со стороны положительной полярности, противоположной, относительно катода.

Во время включения, продолжительность переходного процесса обусловлена характером нагрузки, амплитудой и скоростью, с которой нарастает импульс тока управления. Кроме того, этот процесс зависит от температуры внутренней структуры тиристора, тока нагрузки и приложенного напряжения. В цепи, где установлен тиристор, не должно быть недопустимой скорости роста напряжения, которое может привести к его самопроизвольному включению.

1.1 Определение, виды тиристоров

1.2 Принцип действия

1.3 Параметры тиристоров

Глава 2. Применение тиристоров в регуляторах мощности

2.1 Общие сведения о различных регуляторах

2.2 Процесс управления напряжением при помощи тиристора

2.3 Управляемый выпрямитель на тиристоре

Глава 3. Практические разработки регуляторов мощности на тиристорах

3.1 Регулятор напряжения на тиристоре КУ201К

3.2 Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах

Заключение

Литература

Введение

В данной работе рассмотрены несколько вариантов устройств, где используются элементы тиристоры в качестве регуляторов напряжения и в качестве выпрямителей. Приведены теоретическое и практическое описания принципа действия тиристоров и устройств, схемы этих устройств.

Управляемый выпрямитель на тиристорах - элементах, обладающих большим коэффициентом усиления по мощности, позволяет получать большие токи в нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора.

В данной работе рассмотрены два варианта таких выпрямителей, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 В и от 0,5 до 15 В и устройство для регулировки напряжения на нагрузке активного и индуктивного характера, питаемой от сети переменного тока напряжением 127 и 220 В с пределами регулировки от 0 до номинального напряжения сети.

Глава 1. Понятие о тиристоре. Виды тиристоров. Принцип действия

1.1 Определение, виды тиристоров

Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт - закрыт (управляемый диод).

Простейшим тиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p-n-p-n (рис. 1.1.2). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а средний p-n-переход – коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью – анодом.

В отличие от несимметричных тиристоров (динисторов, тринисторов) в симметричных тиристорах обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами (симисторы).

Рис. 1.1.1 Обозначения на схемах: а) симистора б) динистора в) тринистора.


Рис. 1.1.2 Структура динистора.


Рис. 1.1.3 Структура тринистора.

1.2 Принцип действия

При включении динистора по схеме, приведенной на рис. 1.2.1, коллекторный p-n-переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток (участок 1 на рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.1. Схема включения в цепь неуправляемого тиристора (динистора).

Рис. 1.2.2. Схема включения в цепь управляемого тиристора (тринистора).

Рис.1.2.3. Вольтамперная характеристика динистора.

Рис.1.2.4. Вольтамперная характеристика тиристора.

Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения Uвкл. При напряжении Uвкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (участок 2 на рис. 1.2.3). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области - избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора.

После перехода коллекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующий прямой ветви диода (участок 4). После переключения напряжение на динисторе снижается до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении.

При уменьшении напряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода может составлять десятки микросекунд.

Напряжение Uвкл при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением не основных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу. Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом, питаемым от независимого источника управляющего напряжения (Uупр). Тиристор со вспомогательным управляющим электродом называется триодным, или тринисторным. На практике при использовании термина «тиристор» подразумевается именно элемент. Схема включения такого тиристора показана на рис. 1.2.2. Возможность снижения напряжения U при росте тока управления, показывает семейство ВАХ (рис. 1.2.4).

Если к тиристору приложить напряжение питания, противоположной полярности (рис. 1.2.4), то эмиттерные переходы окажутся закрытыми. В этом случае ВАХ тиристора напоминает обратную ветвь характеристики обычного диода. При очень больших обратных напряжениях наблюдается необратимый пробой тиристора.

♠ Система управления тиристорами в цепях переменного и пульсирующего тока использует, синхронизированную с сетью, бесконечную серию управляющих импульсов и осуществляет сдвиг фазы фронтов управляющих импульсов относительно перехода напряжения сети через ноль.
Сформированный специальным устройством управляющий импульс подается на переход управляющий электрод – катод тиристора, которым и подключает электрическую сеть в нагрузку.
Разберем работу такой системы на примере регулятора температуры жала электрического паяльника мощностью до 100 ватт и напряжением 220 вольт . Схема этого устройства изображена на рис 1 .

♠ Регулятор температуры электрического паяльника в сети переменного тока 220 вольт, состоит из диодного мостика на КЦ405А , тиристора КУ202Н , стабилитрона, узла формирования импульсов управления.
С помощью мостика переменное напряжение превращается в пульсирующее напряжение (Umax = 310 B) положительной полярности (точка Т1) .

Узел формирования состоит:
- стабилитрон, формирует за каждый полупериод трапецевидное напряжение (точка Т2) ;
- временная зарядно-разрядная цепочка R2, R3, C ;
- аналог динистора Тр1, Тр2 .

С резистора R4 снимается напряжение импульса для запуска тиристора (точка 4) .

На графиках (рис 2) показан процесс формирования напряжений в точках Т1 – Т5 при изменении переменного резистора R2 от нуля до максимума.

Через резистор R1 пульсирующее напряжение сети поступает на стабилитрон КС510 .
На стабилитроне формируется напряжение трапецевидной формы величиной 10 вольт (точка Т2) . Оно определяет начало и конец участка регулирования.



♠ Параметры временной цепочки (R2, R3, C) подобраны так, чтобы за время одного полупериода конденсатор С успел зарядиться полностью.
С началом перехода напряжения сети Uc через ноль, с появлением трапецеидального напряжения, начинает расти напряжение на конденсаторе С . При достижении напряжения на конденсаторе Uк = 10 вольт , пробивается аналог тиристора (Тр1, Тр2) . Конденсатор С через аналог разряжается на резистор R4 и, включенный параллельно ему, переход Уэ – К тиристора (точка Т3) и включает тиристор.
Тиристор КУ202 пропускает основной ток нагрузи по цепи: сеть – КЦ405 – спираль паяльника – анод – катод тиристора – КЦ405 – предохранитель - сеть .
Резисторы R5 - R6 служат для устойчивой работы устройства.

♠ Запуск управляющего узла автоматически синхронизирован с напряжением Uc сети.
Стабилитрон может быть Д814В,Г,Д. или КС510,КС210 на напряжение 9 – 12 вольт.
Переменный резистор R2 – 47 - 56 Ком мощностью не менее 0,5 ватт .
Конденсатор С – 0,15 - 0,22 мкФ , не более.
Резистор R1 – желательно набрать из трех резисторов по 8,2 Ком , двух ваттных, чтобы не сильно нагревались.
Транзисторы Тр1, Тр2 – пары КТ814А, КТ815А; КТ503А, КТ502А и др.

♠ Если регулируемая мощность не превысит 100 ватт , можно использовать тиристор без радиатора. Если мощность нагрузки больше 100 ватт необходим радиатор площадью 10 – 20 см.кв .
♠ В данном импульсно – фазовом методе импульс запуска для тиристора вырабатывается в пределах всего полупериода.
Т.е. происходит регулировка мощности почти от ноля до 100%, при регулировании фазового угла от а=0 до а=180 градусов.
На графиках в точке №5 показаны формы напряжений на нагрузке при выборочных фазовых углах: а = 160, а = 116, а = 85, а = 18 градусов.
При значении а = 160 градусов , тиристор закрыт почти во все время прохождения полупериода сетевого напряжения (мощность в нагрузке очень мала).
При значении а = 18 градусов , тиристор открыт почти во все время действия полупериода (мощность в нагрузке равна почти 100% ).
В графиках в точке №4 во время открытия тиристора, вместе с появлением запускающего импульса, добавляется падение напряжения на открытом тиристоре (Uп на графике в точке №4 ).

Все показанные эпюры напряжений в точках Т1 - Т5 , относительно точки Т6 , можно посмотреть на осциллографе.

Тиристор в цепи переменного тока. Фазовый метод.

♦ Известно, что электрический ток в бытовой и промышленной сети изменяется по синусоидальному закону. Форма переменного электрического тока частотой 50 герц , представлена на рис 1 а) .


За один период, цикл, напряжение меняет свое значение: 0 → (+Umax) → 0 → (-Umax) → 0 .
Если представить себе простейший генератор переменного тока (рис 1 б) с одной парой полюсов, где получение синусоидального переменного тока определяет поворот рамки ротора за один оборот, то каждое положение ротора в определенное время периода соответствует определенной величине выходного напряжения.

Или, каждому значению величины синусоидального напряжения за период, соответствует определенный угол α поворота рамки. Фазовый угол α , это угол, определяющий значение периодически изменяющейся величины в данный момент времени.

В момент фазового угла:

  • α = 0° напряжения U = 0 ;
  • α = 90° напряжение U = +Umax ;
  • α=180° напряжение U = 0 ;
  • α = 270° напряжение U = - Umax ;
  • α = 360° напряжение U = 0.

♦ Регулировка напряжения с помощью тиристора в цепях переменного тока как раз и использует эти особенности синусоидального переменного тока.
Как упоминалось ранее в статье « »: тиристор, это полупроводниковый прибор, работающий по закону управляемого электрического вентиля. Он имеет два устойчивых состояния. В определенных условиях может иметь проводящее состояние (открыт) и непроводящее состояние (закрыт) .
♦ Тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. С помощью управляющего электрода можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть изменять электрические параметры вентиля.
Тиристор может пропускать электрический ток только в одном направлении - от анода к катоду (симистор пропускает ток в обоих направлениях).
Поэтому, для работы тиристора, переменный ток необходимо преобразовать (выпрямить с помощью диодного мостика) в пульсирующее напряжение положительной полярности с переходом напряжения через ноль, как на Рис 2 .

♦ Способ управления тиристором сводится к тому, чтобы в момент времени t (во время действия полупериода ) через переход Уэ – К , прошел ток включения Iвкл тиристора.


С этого момента через тиристор идет основной ток катод - анод, до следующего перехода полупериода через ноль, когда тиристор закроется.
Ток включения Iвкл тиристора можно получить разными способами.
1. За счет тока протекающего через: +U – R1 – R2 – Уэ – K – -U (на схеме рис 3) .
2. От отдельного узла формирования управляющих импульсов и подаче их между управляющим электродом и катодом.

♦ В первом случае ток управляющего электрода протекает через переход Уэ – К, постепенно увеличивается (нарастая вместе с напряжением ), пока не достигнет величины Iвкл . Тиристор откроется.

фазовым методом .

♦ Во втором случае сформированный в специальном устройстве, короткий импульс в нужный момент времени подается на переход Уэ – К , от которого тиристор открывается.

Такой способ управления тиристором называется импульсно – фазовым методом .
В обоих случаях ток, управляющий включением тиристора, должен быть синхронизирован с началом перехода сетевого напряжения Uс через ноль.
Действие управляющего электрода сводится к управлению моментом включения тиристора.

Фазовый метод управления тиристором.

♦ Попробуем на простом примере тиристорного регулятора освещения (схема на рис.3 ) разобрать особенности работы тиристора в цепи переменного тока.

После выпрямительного мостика напряжение представляет собой пульсирующее напряжение, изменяющееся в виде:
0→ (+Umax) → 0 → (+Umax) → 0, как на рис.2

♦ Начало управления тиристором сводится к следующему.
При возрастании напряжения сети , от момента перехода напряжения через ноль, в цепи управляющего электрода появляется ток управления Iуп по цепи:
+U – R1 – R2 – Уэ – К – -U.
С ростом напряжения растет и ток управления Iуп (управляющий электрод - катод).

При достижении тока управляющего электрода величины Iвкл , тиристор включается (открывается) и замыкает точки +U и –U на схеме.

Падение напряжения на открытом тиристоре (анод - катод) составляет 1,5 – 2,0 вольта. Ток управляющего электрода упадет почти до нуля, а тиристор останется в проводящем состоянии до момента, когда напряжение сети не упадет до нуля.
С действием нового полупериода напряжения сети, все повторится сначала.

♦ В цепи протекает только ток нагрузки, то есть ток через лампочку Л1 по цепи:
Uс – предохранитель – диодный мост – анод - катод тиристора – диодный мост – лампочка Л1 - Uс.
Лампочка будет загораться с каждым полупериодом сетевого напряжения и тухнуть при переходе напряжения через ноль.

Проведем небольшие вычисления для примера рис.3 . Используем данные элементов как на схеме.
По справочнику для тиристора КУ202Н ток включения Iвкл = 100 мА . В реальности же он намного меньше и составляет 10 – 20 мА, в зависимости от экземпляра.
Возьмем для примера Iвкл = 10 мА .
Управление моментом включения (регулировка яркости) происходит путем изменения величины переменного сопротивления резистора R1 . Для разных значений резистора R1 , будут разные напряжения пробоя тиристора. При этом момент включения тиристора будет меняться в пределах:

1. R1 = 0, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (0 + 2 = 20 вольт.
2. R1 = 14,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (13 + 2) = 150 вольт.
3. R1 = 19,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (18 + 2) = 200 вольт.
4. R1 = 29,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (28 + 2) = 300 вольт.
5. R1 = 30,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (308 + 2) = 310 вольт.

Фазовый угол α изменяется в пределах от а = 10, до а = 90 градусов.
Примерный результат этих вычислений приведен на рис. 4.


♦ Заштрихованная часть синусоиды соответствует выделяемой мощности на нагрузке.
Регулировка мощности фазовым методом, возможна только в узком диапазоне угла управления от a = 10°, до а = 90° .
То есть, в пределах от 90% до 50% мощности выделяемой на нагрузке.

Начало регулирования от фазового угла а = 10 градусов объясняется тем, что в момент времени t=0 – t=1 , ток в цепи управляющего электрода еще не достиг значения Iвкл (Uс не достигло величины 20 вольт).

Все эти условия выполнимы в случае, если в схеме нет конденсатора С .
Если поставить конденсатор С (в схеме рис 2), диапазон регулирования напряжения (фазового угла) сместится вправо как на рис.5 .

Это объясняется тем, что в первое время (t=0 – t=1 ), весь ток идет на зарядку конденсатора С , напряжение между Уэ и К тиристора равно нулю и он не может включится.

Как только конденсатор зарядится, ток пойдет через управляющий электрод – катод, тиристор включится.

Угол регулирования зависит от емкости конденсатора и сдвигается примерно от а = 30 до а = 120 градусов (при емкости конденсатора 50 мкФ ). Как проверить тиристор?

На своем блоге я поместил рассылку на бесплатные уроки на тему: .
В этих уроках я, в популярной форме, постарался как можно проще изложить суть работы тиристора: как он устроен, как работает в цепи постоянного и переменного тока. Привел много действующих схем на тиристорах и динисторах.

В этом уроке, по просьбе подписчиков, привожу несколько примеров проверки тиристора на целостность.

Как же проверить тиристор?

Предварительная проверка тиристора проводится с помощью тестера-омметра или цифрового мультиметра .
Переключатель цифрового мультиметра должен стоять в положении проверки диодов.
С помощью омметра или мультиметра, проверяются переходы тиристора: управляющий электрод – катод и переход анод – катод.
Сопротивление перехода тиристора, управляющий электрод – катод, должно быть в пределах 50 – 500 Ом.
В каждом случае величина этого сопротивления должна быть примерно одинакова при прямом и обратном измерении. Чем больше величина этого сопротивления, тем чувствительнее тиристор.
Другими словами, будет меньше величина тока управляющего электрода, при котором тиристор переходит из закрытого состояния в открытое состояние.
У исправного тиристора величина сопротивления перехода анод – катод, при прямом и обратном измерении, должна быть очень большой, то есть имеет «бесконечную» величину.
Положительный результат этой предварительной проверки, еще ни о чем не говорит.
Если тиристор уже стоял где то в схеме, у него может быть «прогорел» переход анод - катод. Эту неисправность тиристора мультиметром не определишь.

Основную проверку тиристора нужно проводить, используя дополнительные источники питания. В этом случае полностью проверяется работа тиристора.
Тиристор перейдет в открытое состояние в том случае, если через переход, катод – управляющий электрод, пройдет кратковременный импульс тока, достаточный для открытия тиристора.

Такой ток можно получить двумя способами:
1. Использовать основной источник питания и резистор R, как на рисунке №1.
2. Использовать дополнительный источник управляющего напряжения, как на рисунке №2.

Рассмотрим схему проверки тиристора на рисунке №1.
Можно изготовить небольшую испытательную плату, на которой разместить провода, индикаторную лампочку и кнопки переключения.

Проведем проверку тиристора при питании схемы постоянным током.

В качестве нагрузочного сопротивления и наглядного индикатора работы тиристора, применим маломощную электрическую лампочку на соответствующее напряжение.
Величина сопротивления резистора R выбирается из расчета, чтобы ток, протекающий через управляющий электрод – катод, был достаточным для включения тиристора.
Ток управления тиристором пройдет по цепи: плюс (+) – замкнутая кнопка Кн1 – замкнутая кнопка Кн2 – резистор R – управляющий электрод – катод – минус (-).
Ток управления тиристора для КУ202 по справочнику равен 0,1 ампера. В реальности, ток включения тиристора, где то 20 – 50 миллиампер и даже меньше. Возьмем 20 миллиампер, или 0,02 ампера.
Основным источником питания может быть любой выпрямитель, аккумулятор или набор батареек.
Напряжение может быть любым, от 5 до 25 вольт.
Определим сопротивление резистора R .
Возьмем для расчета источник питания U = 12 вольт.
R = U: I = 12 В: 0,02 А = 600 Ом.
Где: U – напряжение источника питания; I – ток в цепи управляющего электрода.

Величина резистора R будет равна 600 Ом.
Если напряжение источника будет, например, 24 Вольта, то соответственно R = 1200 Ом.

Схема на рисунке №1 работает следующим образом.

В исходном состоянии тиристор закрыт, электрическая лампочка не горит. Схема в таком состоянии может находиться сколько угодно долго. Нажмем кнопку Кн2 и отпустим. По цепи управляющего электрода пойдет импульс тока управления. Тиристор откроется. Лампочка будет гореть, даже если будет оборвана цепь управляющего электрода.
Нажмем и отпустим кнопку Кн1. Цепь тока нагрузки, проходящего через тиристор, оборвется и тиристор закроется. Схема придет в исходное состояние.

Проверим работу тиристора в цепи переменного тока.

Вместо источника постоянного напряжения U включим переменное напряжение 12 вольт, от какого либо трансформатора (рисунок №2).

В исходном состоянии лампочка гореть не будет.
Нажмем кнопку Кн2. При нажатой кнопке лампочка горит. При отжатой кнопке - тухнет.
При этом лампочка горит «в пол – накала». Это происходит потому, что тиристор пропускает только положительную полуволну переменного напряжения.
Если вместо тиристора будем проверять симистор, например КУ208, то лампочка будет гореть в полный накал. Симистор пропускает обе полуволны переменного напряжения.

Как проверить тиристор от отдельного источника управляющего напряжения?

Вернемся к первой схеме проверки тиристора, от источника постоянного напряжения, но несколько видоизменив ее.

Смотрим рисунок №3.

В этой схеме ток управляющего электрода подается от отдельного источника. В качестве него можно использовать плоскую батарейку.
При кратковременном нажатии на кнопку Кн2, лампочка так же загорится, как и в случае на рисунке №1. Ток управляющего электрода должен быть не менее 15 – 20 миллиампер. Запирается тиристор, так же, нажатием кнопки Кн1.

4. Урок №4 - «Тиристор в цепи переменного тока. Импульсно - фазовый метод»

5. Урок №5 - «Тиристорный регулятор в зарядном устройстве»

В этих уроках, в простой и удобной форме, излагаются основные сведения по полупроводниковым приборам: динисторам и тиристорам.

Что такое динистор и тиристор, выды тиристоров и их вольт - амперные характеристики , работа динисторов и тиристоров в цепях постоянного и переменного тока, транзисторные аналоги динистора и тиристора.

А так же: способы управления электрической мощностью переменного тока, фазовый и импульсно-фазовый методы.

Каждый теоретический материал подтверждается практическими примерами.
Приводятся действующие схемы: релаксационного генератора и фиксированной кнопки, реализованных на динисторе и его транзисторном аналоге ; схема защиты от короткого замыкания в стабилизаторе напряжения и многое другое.

Особенно интересна для автолюбителей схема зарядного устройства для аккумулятора на 12 вольт на тиристорах.
Приводятся эпюры формы напряжения в рабочих точках действующих устройств управления переменным напряжением при фазовом и импульсно-фазовом методах.

Чтобы получить эти бесплатные уроки подпишитесь на рассылку, заполните форму подписки и нажмите кнопку «Подписаться».

Чтобы понять как работает схема, необходимо знать действие и назначение каждого из элементов. В этой статье рассмотрим принцип работы тиристора, разные виды и режимы работы, характеристики и виды. Постараемся объяснить все максимально доступно, чтобы было понятно даже для начинающих.

Тиристор — полупроводниковый элемент, имеющий только два состояния: «открыто» (ток проходит) и «закрыто» (тока нет). Причем оба состояния устойчивые, то есть переход происходит только при определенных условиях. Само переключение происходит очень быстро, хоть и не мгновенно.

По способу действия его можно сравнить с переключателем или ключом. Вот только переключается тиристор при помощи напряжения, а отключается пропаданием тока или снятием нагрузки. Так что принцип работы тиристора понять несложно. Можно представлять его как ключ с электрическим управлением. Так, да не совсем.

Тиристор, как правило, имеет три выхода. Один управляющий и два, через которые протекает ток. Можно попробовать коротко описать принцип работы. При подаче напряжения на управляющий выход, коммутируется цепь через анод-коллектор. То есть, он сравним с транзистором. Только с той разницей, что у транзистора величина пропускаемого тока зависит от поданного на управляющий вывод напряжения. А тиристор либо полностью открыт, либо полностью закрыт.

Внешний вид

Внешний вид тиристора зависит от даты его производства. Элементы времен Советского Союза — металлические, в виде «летающей тарелки» с тремя выводами. Два вывода — катод и управляющий электрод — находятся на «дне» или «крышке» (это с какой стороны смотреть). Причем электрод управления меньше по размерам. Анод может находиться с противоположной стороны от катода, или торчать вбок из-под шайбы, которая есть на корпусе.

Два вида тиристоров — современные и советские, обозначение на схемах

Современные тиристоры выглядят по-другому. Это небольшой пластиковый прямоугольник с металлической пластиной сверху и тремя выводами-ножками снизу. В современном варианте есть одно неудобство: надо смотреть в описании какой из выводов анод, где катод и управляющий электрод. Как правило, первый — анод, затем катод и крайний правый — это электрод. Но это как правило, то есть, не всегда.

Принцип работы

По принципу действия, тиристор можно еще сравнить с диодом. Пропускать ток он будет в одном направлении — от анода к катоду, но происходить это будет только в состоянии «открыто». На схемах тиристор похож на диод. Также имеется анод и катод, но есть еще дополнительный элемент — управляющий электрод. Понятное дело, есть отличия и в выходном напряжении (если сравнивать с диодом).

В схемах переменного напряжения тиристор будет пропускать только одну полуволну — верхнюю. Когда приходит нижняя полуволна, он сбрасывается в состояние «закрыто».

Принцип работы тиристора простыми словами

Рассмотрим принцип работы тиристора. Стартовое состояние элемента — закрыто. «Сигналом» к переходу в состояние «открыто» является появление напряжения между анодом и управляющим выводом. Вернуть тиристор в состояние «закрыто» можно двумя способами:

  • снять нагрузку;
  • уменьшить ток ниже тока удержания (одна из технических характеристик).

В схемах с переменным напряжением, как правило, сбрасывается тиристор по второму варианту. Переменный ток в бытовой сети имеет синусоидальную форму, когда его значение приближается к нулю и происходит сброс. В схемах, питающихся от источников постоянного тока, надо либо принудительно убирать питание, либо снимать нагрузку.

То есть, работает тиристор в схемах с постоянным и переменным напряжением по-разному. В схеме постоянного напряжения, после кратковременного появления напряжения между анодом и управляющим выводом, элемент переходит в состояние «открыто». Далее может быть два варианта развития событий:

  • Состояние «открыто» держится даже после того, как напряжение анод-выход управления пропало. Такое возможно если напряжение, поданное на анод-управляющий вывод, выше чем неотпирающее напряжение (эти данные есть в технических характеристиках). Прекращается прохождение тока через тиристор, фактически только разрывом цепи или выключением источника питания. Причем выключение/обрыв цепи могут быть очень кратковременными. После восстановления цепи, ток не течет до тех пор, пока на анод-управляющий вывод снова не подадут напряжение.
  • После снятия напряжения (оно меньше чем отпирающее) тиристор сразу переходит в состояние «закрыто».

Так что в схемах постоянного тока есть два варианта использования тиристора — с удержанием открытого состояния и без. Но чаще применяют по первому типу — когда он остается открытым.

Принцип работы тиристора в схемах переменного напряжения отличается. Там возвращение в запертое состояние происходит «автоматически» — при падении силы тока ниже порога удержания. Если напряжение на анод-катод подавать постоянно, на выходе тиристора получаем импульсы тока, которые идут с определенной частотой. Именно так построены импульсные блоки питания. При помощи тиристора они преобразуют синусоиду в импульсы.

Проверка работоспособности

Проверить тиристор можно либо при помощи мультиметра, либо создав простенькую проверочную схему. Если при прозвонке иметь перед глазами технические характеристики, можно заодно проверить сопротивление переходов.

Прозвонка мультиметром

Для начала разберем прозвонку мультиметром. Переводим прибор в режим прозвонки.

Обратите внимание, что величина сопротивления у разных серий разная — на это не стоит обращать особого внимания. Если хотите проверить и сопротивление переходов, посмотрите в технических характеристиках.

На рисунке представлены схемы испытаний. Крайний справа рисунок — усовершенствованный вариант с кнопкой, которую устанавливают между катодом и управляющим выводом. Для того чтобы мультиметр зафиксировал протекающий по цепи ток, кратковременно нажимаем на кнопку.

При помощи лампочки и источника постоянного тока (батарейка тоже пойдет)

Если мультиметра нет, можно проверить тиристор при помощи лампочки и источника питания. Подойдет даже обычная батарейка или любой другой источник постоянного напряжения. Вот только напряжение должно быть достаточным для того, чтобы засветить лампочку. Потребуется еще сопротивление или обычный кусок проволоки. Из этих элементов собирается простая схема:

  • Плюс от источника питания подаем на анод.
  • К катоду подключаем лампочку, второй ее вывод подключаем к минусу источника питания. Лампочка не горит, так как термистор заперт.
  • Кратковременно (при помощи куска проволоки или сопротивления) соединяем анод и управляющий вывод.
  • Лампочка загорается и продолжает гореть, хотя перемычка убрана. Термистор остается в открытом состоянии.
  • Если выкрутить лампочку или выключить источник питания, то лампочка, естественно, погаснет.
  • Если восстановить цепь/питание, она не загорится.

Заодно с проверкой, эта схема позволяет понять принцип работы тиристора. Ведь картинка получается очень наглядной и понятной.

Виды тиристоров и их особые свойства

Полупроводниковые технологии все еще разрабатываются и совершенствуются. За несколько десятилетий появились новые разновидности тиристоров, которые имеют некоторые отличия.

  • Динисторы или диодные тиристоры. Отличаются тем, что имеют только два вывода. Открываются подачей на анод и катод высокого напряжения в виде импульса. Называют еще «неуправляемые тиристоры».
  • Тринисторы или триодные тиристоры. В них есть управляющий электрод, но управляющий импульс может подаваться:
    • На управляющий выход и катод. Название — с управлением катодом.
    • На управляющий электрод и анод. Соответственно — управление анодом.

Есть также разные виды тиристоров по способу запирания. В одном случае достаточно уменьшения анодного тока ниже уровня тока удержания. В другом случае — подается запирающее напряжение на управляющий электрод.

По проводимости

Мы говорили, что проводят тиристоры ток только в одном направлении. Обратной проводимости нет. Такие элементы называют обратно-непроводящие, но существуют не только такие. Есть и другие варианты:

  • Имеют невысокое обратное напряжение, называются обратно-проводящие.
  • С ненормируемой обратной проводимостью. Ставят в схемах, где обратное напряжение возникнуть не может.
  • Симисторы. Симметричные тиристоры. Проводят ток в обоих направлениях.

Тиристоры могут работать в режиме ключа. То есть при поступлении импульса управления подавать ток на нагрузку. Нагрузка, в этом случае, рассчитывается исходя из напряжения в открытом виде. Надо также учитывать наибольшую рассеиваемую мощность. Вот в этом случае лучше выбирать металлические модели в виде «летающей тарелки». К ним удобно приделывать радиатор — для более быстрого охлаждения.

Классификация по особым режимам работы

Еще можно выделить следующие подвиды тиристоров:

  • Запираемые и незапираемые. Принцип работы тиристора незапираемого немного другой. Он находится в открытом состоянии когда плюс приложен к аноду, минус — на катоде. Переходит в закрытое состоянии при смене полярности.
  • Быстродействующие. Имеют малое время перехода из одного состояния в другое.
  • Импульсные. Очень быстро переходит из одного состояние в другое, используется в схемах с импульсными режимами работы.

Основное назначение — включение и выключение мощной нагрузки при помощи маломощных управляющих сигналов

Основная область использования тиристоров — в качестве электронного ключа, служащего для замыкания и размыкания электрической цепи. В общем много привычных устройств построены на тиристорах. Например, гирлянда с бегущими огнями, выпрямители, импульсные источники тока, выпрямители и многие другие.

Характеристики и их значение

Некоторые тиристоры могут коммутировать очень большие токи, в этом случае их называют силовыми тиристорами. Они изготавливаются в металлическом корпусе — для лучшего отвода тепла. Небольшие модели с пластиковым корпусом — это обычно маломощные варианты, которые используют в малоточных схемах. Но, всегда есть исключения. Так что для каждой конкретной цели подбирают требуемый вариант. Подбирают, понятное дело, по параметрам. Вот основные:


Есть еще динамический параметр — время перехода из закрытого в открытое состояние. В некоторых схемах это важно. Может еще указываться тип быстродействия: по времени отпирания или по времени запирания.

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор - это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием - не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод - это контакт с внешним p-слоем, катод - с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы



Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области - эмиттерными, а центральный переход - коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.


К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать - режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения - это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение - это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение - это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток - это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток - ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току - увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор - не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

  • — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
  • — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
  • — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.


Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

  • — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
  • — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
  • — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
  • — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Тиристор - электронный компонент, изготовленный на основе полупроводниковых материалов, может состоять из трёх или более p-n-переходов и имеет два устойчивых состояния: закрытое (низкая проводимость), открытое (высокая проводимость).

Это сухая формулировка, которая для тех, кто только начинает осваивать электротехник у, абсолютно ни о чём не говорит. Давайте разберём принцип работы этого электронного компонента для обычных людей, так сказать, для чайников, и где его можно применить. По сути, это электронный аналог выключателей, которыми вы каждый день пользуетес

Есть много типов этих элементов, обладающие различными характеристиками и имеющие различные области применения. Рассмотрим обычный однооперационный тиристор.

Способ обозначения на схемах показан на рисунке 1.

Электронный элемент имеет следующие выводы:

  • анод положительный вывод;
  • катод отрицательный вывод;
  • управляющий электрод G.

Принцип действия тиристора

Основное применение этого типа элементов это создание на их основе силовых тиристорных ключей для коммутации больших токов и их регулирования. Включение выполняется сигналом, переданным на управляющий электрод. При этом элемент является не полностью управляемым, и для его закрытия необходимо применение дополнительных мер, которые обеспечат падение величины напряжения до нуля.

Если говорить, как работает тиристор простым языком, то он, по аналогии с диодом, может проводить ток только в одном направлении, поэтому при его подключении нужно соблюдать правильную полярность . При подаче напряжения к аноду и катоду этот элемент будет оставаться закрытым до момента, когда на управляющий электрод будет подан соответствующий электрический сигнал. Теперь, независимо от наличия или отсутствия управляющего сигнала, он не изменит своего состояния и останется открытым.

Условия закрытия тиристора:

  1. Снять сигнал с управляющего электрода;
  2. Снизить до нуля напряжение на катоде и аноде.

Для сетей переменного тока выполнение этих условий не вызывает особых трудностей. Синусоидальное напряжение, изменяясь от одного амплитудного значения до другого, снижается до нулевой величины, и если в этот момент управляющего сигнала нет, то тиристор закроется.

В случае использования тиристоров в схемах постоянного тока для принудительной коммутации (закрытия тиристора) используют ряд способов, наиболее распространённым является использование конденсатора, который был предварительно заряжен. Цепь с конденсатором подключается к схеме управления тиристором. При подключении конденсатора в цепь произойдёт разряд на тиристор, ток разряда конденсатора будет направлен встречно прямому току тиристора, что приведёт к уменьшению тока в цепи до нулевого значения и тиристор закроется.

Можно подумать, что применение тиристоров неоправданно, не проще ли использовать обычный ключ? Огромным плюсом тиристора является то, что он позволяет коммутировать огромные токи в цепи анода-катода при помощи ничтожно малого управляющего сигнала, поданного в цепь управления. При этом не возникает искрения, что немаловажно для надёжности и безопасности всей схемы.

Схема включения

Схема управления может выглядеть по-разному, но в простейшем случае схема включения тиристорного ключа имеет вид, показанный на рисунке 2.

К аноду присоединена лампочка L, а к ней выключателем К2 подключается плюсовая клемма источника питания G. B. Катод соединяется с минусом питания.

После подачи питания выключателем К2 к аноду и катоду будет приложено напряжение батареи, но тиристор остаётся закрытым, лампочка не светится. Для того чтобы включить лампу, необходимо нажать на кнопку К1, сигнал через сопротивление R будет подан на управляющий электрод, тиристорный ключ изменит своё состояние на открытое, и лампочка загорится. Сопротивление ограничивает ток, подаваемый на управляющий электрод. Повторное нажатие на кнопку К1 никакого влияния на состояние схемы не оказывает.

Для закрытия электронного ключа нужно отключить схему от источника питания выключателем К2. Этот тип электронных компонентов закроется, и в случае снижения напряжения питания на аноде до определённой величины, которая зависит от его характеристик. Вот так можно описать, как работает тиристор для чайников.

Характеристики

К основным характеристикам можно отнести следующие:

Рассматриваемые элементы, кроме электронных ключей, часто применяются в регуляторах мощности, которые позволяют изменять подводимую к нагрузке мощность за счёт изменения среднего и действующего значений переменного тока. Величина тока регулируется изменением момента подачи на тиристор открывающего сигнала (за счёт варьирования угла открывания). Углом открытия (регулирования) называется время от начала полупериода до момента открытия тиристора.

Типы данных электронных компонентов

Существует немало различных типов тиристоров, но наиболее распространены, помимо тех что мы рассмотрели выше, следующие:

  • динистор элемент, коммутация которого происходит при достижении определённого значения величины напряжения, приложенного между анодом и катодом;
  • симистор;
  • оптотиристор, коммутация которого осуществляется световым сигналом.

Симисторы

Хотелось бы более подробно остановиться на симисторах. Как говорилось ранее, тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, поэтому при установке их в цепи переменного тока, такая схема регулирует один полупериод сетевого напряжения. Для регулирования обоих полупериодов необходимо установить встречно-параллельно ещё один тиристор либо применить специальные схемы с использованием мощных диодов или диодных мостов. Все это усложняет схему, делает её громоздкой и ненадёжной.

Вот для таких случаев и был изобретён симистор. Поговорим о нем и о принципе работы для чайников. Главное отличие симисторов от рассмотренных выше элементов заключается в способности пропускать ток в обоих направлениях. По сути, это два тиристора с общим управлением, подключённые встречно-параллельно (рисунок. 3 А).

Условное графическое обозначение этого электронного компонента показано на Рис. 3 В. Следует заметить, что называть силовые выводы анодом и катодом будет не корректно, так как ток может проводиться в любом направлении, поэтому их обозначают Т1 и Т2. Управляющий электрод обозначается G. Для того чтобы открыть симистор, необходимо подать управляющий сигнал на соответствующий вывод. Условия для перехода симистора из одного состояния в другое и обратно в сетях переменного тока не отличаются от способов управления, рассмотренных выше.

Применяется этот тип электронных компонентов в производственной сфере, бытовых устройствах и электроинструментах для плавного регулирования тока. Это управление электродвигателями, нагревательными элементами, зарядными устройствами.

В завершение хотелось бы сказать, что и тиристоры и симисторы, коммутируя значительные токи, обладают весьма скромными размерами, при этом на их корпусе выделяется значительная тепловая мощность. Проще говоря, они сильно греются, поэтому для защиты элементов от перегрева и теплового пробоя используют теплоотвод, который в простейшем случае представляет собой алюминиевый радиатор.

Диоды и тиристоры

Главная » Диоды, тиристоры, силовые приборы

                     

ДИОДЫ

ТИРИСТОРЫ

СИЛОВЫЕ МОДУЛИ

МАРКИРОВКА

Условные обозначения и классы

Рекомендуемые замены снятых с производства изделий

 

Несмотря на интенсивное развитие микроэлектроники, силовые полупроводниковые приборы, в частности диоды и тиристоры, находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре. Полупроводниковые управляемые диоды - тиристоры обладают высокими эксплуатационными свойствами: малыми удельными габаритами и массой, высокими КПД и быстродействием, продолжительным сроком работы, значительными допустимыми напряжениями и токами, возможностью импульсного управления. на основе тиристоров разработаны экономичные, надежные малогабаритные управляемые вторичные источники электропитания, широко используемые в электроприводах, автоматике, робототехнике, системах управления и во многих других случаях, когда требуется регулируемое постоянное или переменное напряжение неизменной или регулируемой частоты.

ДИОДЫ

Силовые полупроводниковые диоды предназначены для применения в преобразователях электроэнергии, а также в цепях постоянного и переменного тока различных силовых установок. Исходя из типа приборов, диоды могут применяться в качестве выпрямительных и для защиты от коммутационных перенапряжений, в системах возбуждения мощных турбогенераторов и синхронных компенсаторов, в низковольтных выпрямителях сварки и гальванического оборудования, в автомобильных и тракторных электрогенераторах
.

Диоды низкочастотные (штыревое исполнение)

Диоды Д 161-200, Д161-250, Д161-320, Д171-400 предназначены для применения в электротехнических и радиоэлектронных устройствах в цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 Гц. Диоды допускают воздействие вибрационных нагрузок в диапазоне частот 1-100 Гц и многократные удары длительностью 2-15 мс с ускорением 147 м/с2. Это диоды прямой полярности, при этом анодом диодов является медное основание, катодом - гибкий вывод.

Диоды низкочастотные (таблеточное исполнение)Диоды Д 133-400, Д133-500, Д133-800, Д143-630, Д143-800, Д143-1000, Д253-1600
предназначены для применения  в цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 Гц в электротехнических устройствах общего назначения. Диоды устойчивы к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

Диоды низкочастотные лавинные предназначены для применения в устройствах общего назначения  частотой до 500 Гц. Диоды допускают воздействие вибрационных нагрузок в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2,  многократных ударов длительностью 2-15 мс с ускорением 147 м/с2 и одиночных ударов длительностью 50 мс с ускорением 39,2 м/с2.  Диоды ДЛ 161-200, ДЛ 171-320 имеют штыревое исполнение. Анодом диодов является медное основание, катодом - гибкий вывод. Диоды ДЛ 123-320, ДЛ133-500 имеют таблеточное исполнение. Анодом и катодом являются плоские основания, при этом полярность определяется с помощью символа полярности, нанесенного на корпус диода.

Диоды быстровосстанавливающиеся (частотные)Диоды ДЧ 261-250 и ДЧ 261-320 (штыревое исполнение), диоды ДЧ  243-500, 253-1000 и др. (таблеточное исполнение) применяются в статических преобразователях электроэнергии, а также в других цепях постоянного и переменного тока частоты 2000 Гц и выше, в различных силовых установках, в которых требуются малые времена обратного восстановления и малые заряды восстановления. Эти диоды отличаются высокой нагрузочной способностью по току при высоких частотах.

Промышленные  области применения основных типов силовых диодов:

- диоды Д 161, Д171 предназначены для применения в неуправляемых и полууправляемых выпрямительных мостах, в маломощной сварочной аппаратуре.

- диоды Д 123, Д133, Д143, Д153, Д173 используются в мощных электроприводах постоянного тока в промышленности и транспорте, в мощных сварочных аппаратах.

- диоды ДЛ161, ДЛ171, ДЛ123, ДЛ133, ДЛ143, ДЛ153, ДЛ173 предназначены для применения в выпрямителях для электролиза и гальваники, в источниках постоянного тока, в неуправляемых и полууправляемых выпрямительных мостах.
- диоды ДЧ261, ДЧ133, ДЧ143, ДЧ153 используются в мощных электроприводах постоянного тока в промышленности и транспорте, в выпрямителях для электрометаллургии, в инверторах, в преобразователях частоты для транспорта, в источниках бесперебойного питания.

ТИРИСТОРЫСиловые полупроводниковые тиристоры предназначены для применения в выпрямителях, инверторах, импульсных регуляторах, преобразователях постоянного и переменного тока, системах возбуждения генераторов и других цепях постоянного и переменного тока

В зависимости от типа прибора тиристоры могут применяться в широтно-импульсных системах пуска и регулирования скорости городского электроподвижного состава, сварочном оборудовании, для комплектования преобразовательных устройств линий электропередачи постоянного тока, для работы в бесконтактной коммутационной и регулирующей аппаратуре и других устройствах.

 Тиристоры низкочастотные  (например, тиристоры Т 253-800, Т253-1000) допускают воздействие синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1-100 Гц с ускорением 49м/с2 и многократные удары длительностью 2-15 мс с ускорением 147 м/с2.

Тиристоры быстродействующие (например,  тиристоры ТБ 133-250, ТБ 143-400) применяются в первую очередь в тех силовых установках, где требуются малые времена включения и выключения, а также высокие критические скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии и тока в открытом состоянии. Эти тиристоры имеют повышенную нагрузочную способность при высоких частотах.

 

Промышленные  области применения основных типов силовых тиристоров:

- тиристоры Т 161, Т171 используются в электротехнических и радиоэлектронных устройствах общего назначения в целях постоянного и переменного тока.

- тиристоры Т 123, Т133, Т143, Т153, Т 173 предназначены для применения в управляемых и полууправляемых выпрямителях на тяговых подстанциях, в регуляторах переменного тока, в софт-стартерах, в мощных электроприводах для синхронных электродвигателей, в преобразователях для электродуговых печей, в высокомощных  компесаторах реактивной мощности.

- тиристоры ТБ233, ТБ333, ТБ243, ТБ453, ТБ173 используются в электросварочных индукторах нагрева и плавки, в электротранспорте, в электроприводах переменного тока, в источниках бесперебойного питания, в силовых установках, требующих малого времени выключения и включения тиристоров.
- тиристоры ТБИ233, ТБИ343, ТБИ353, ТБИ173 предназначены для применения в преобразователях тиристорного частотно-регулируемого электропривода, а также в преобразователях другого назначения, в которых используется преобразование электроэнергии по повышенной частоте (до 10 кГц).

Мощные высоковольтные тиристоры для импульсных применений, производства ЗАО «Протон-Электротекс»

  • Главная
  • Статьи
  • Мощные высоковольтные тиристоры для импульсных применений, производства ЗАО «Протон-Электротекс»

Черников А.А., Гончаренко В. П., Мизинцев А. В., Сурма А. М., Титушкин Д. А.

АО «Протон – Электротекс», OOO  НИИЭФА ЭНЕРГО

 

 Разработка полупроводниковых ключей, способных коммутировать короткие импульсы тока амплитудой от десятков до сотен килоампер, актуальна для развития импульсных источников питания мощной электрофизической аппаратуры. Импульсные тиристоры широко применяются в качестве таких ключей [1].

Заказчики предъявляют к мощным импульсным тиристорам ряд специфических технических требований [2-5], которым не может удовлетворить обычный серийный тиристор. К таким требованиям, в частности, относятся:

  1. Коммутация импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс. Типичные требования – 2000 -10000 А/мкс.
  2. Коммутация коротких импульсов тока высокой амплитуды. Отношение амплитуды тока в коммутируемом импульсе к величине среднего тока тиристора может достигать числа 100 и более.
  3. Синхронное включение тиристоров в составе последовательной сборки при коммутации импульсов тока с высокой скоростью нарастания.

При коммутации импульсов со скоростью нарастания тока (di/dt) свыше 1000 А/мкс, возникают существенные затруднения, связанные с неодновременным включением тиристорного элемента по всей площади.

Кардинальным решением этой проблемы является использование тиристоров с ячеистой «многоэмиттерной» топологией, применяемой для Gate Turn-Off thyristors (GTO) и Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT) [6], т.к. вследствие малого поперечного размера каждой эмиттерной ячейки такой тиристор включается практически одновременно по всей площади. Однако, для такого прибора, значительная часть площади (50% и более) используется для размещения области управления (gate) и не участвует в проведении тока, что сильно снижает допустимую амплитуду импульса тока.

Другим решением является применение специального импульсного прибора Реверсивно Включаемого Динистора (РВД) [7]. Включение такого прибора также происходит по всей площади, что позволяет достигать наибольших на сегодняшний день для полупроводниковых ключей амплитуд импульсного тока [8]. Недостатком является весьма сложная аппаратура, необходимая для запуска РВД, по своей стоимости сопоставимая со стоимостью основного ключа.

Таким образом актуален поиск конструктивно-технологических решений, позволяющих увеличить допустимый импульсный ток «традиционного» импульсного тиристора. Ниже рассмотрен комплекс технических решений, позволивший создать импульсный тиристор, способный коммутировать импульсы тока с экстремально высокой амплитудой в важном для практических применений диапазоне длительности 100-1000 мкс.

 

Особенности конструкции и технологии изготовления

 Полупроводниковые слои.

Низколегированная p-база. В полупроводниковом элементе реализована относительно низколегированная p-база (слоевое сопротивление под n-эмиттером 500-1000 Ом/квадрат). При этом диффузионные процессы ее формирования оптимизированы таким образом, чтобы получить максимальное «встроенное тянущее электрическое поле» в пределах этого слоя. Это позволяет минимизировать время пролета p-базы электронами, инжектированными из n-эмиттера и получить минимальные значения времени задержки включения. Следовательно, при каскадном включении (вспомогательный тиристор – основной тиристор), становится минимальным время, когда ток проводит только вспомогательный тиристор, что существенно увеличивает di/dt – стойкость.

Соответственно, имеется возможность кардинально снизить разброс задержек включения  тиристоров в последовательной сборке.

На рис. 1 приведена типичная зависимость времени задержки включения для экспериментального тиристора от значения исходного блокирующего напряжения.

Рис. 1. Типичная зависимость времени задержки включения от анодного напряжения. Скорость нарастания тока управления 2А/мкс, скорость нарастания анодного  тока 5000 А/мкс.

 

Видно, что время задержки включения не только мало по своей абсолютной величине, но, вдобавок, монотонно уменьшается при увеличении анодного напряжения, что объясняется уменьшением времени пролета носителей заряда через базовые слои тиристора при увеличении исходного анодного напряжения.

Такая зависимость времмени задержки включения приводит к «конвергенции» разброса времени включения при работе тиристоров в последовательном соединении. Разброс времен включения отдельных тиристоров в последовательной сборке приводит к перераспределению напряжений между тиристорами на начальном этапе включения: на тиристорах с меньшими значениями tdon анодное напряжение уменьшается, а на тиристорах с большими значениями tdon  - увеличивается.

При этом, значения tdon при работе в последовательной сборке, в соответствии с зависимостью от напряжения (см. рис. 1) будут уменьшаться или увеличиваться, по сравнению со значением, измеренным на отдельных тиристорах. Таким образом, при работе тиристоров в последовательном соединении происходит некоторое сужение диапазона разброса значений задержек включения по сравнению с таковым, измеренным на отдельных тиристорах, составляющих сборку.

Исследования [9] показали, что, при типичной для импульсных тиристороров «Протон – Электротекс» «негативной» зависимости tdon от анодного напряжения,  диапазон разброса значений tdon при работе в последовательном столбе сужается примерно в два раза.

 

P-эмиттер с контролируемой эффективностью. В полупроводниковом элементе «традиционного» силового тиристора обычно выдерживается отношение толщины n-базы (Wn) и значения амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в этом слое (L) не менее 3 (Wn/L>3). Это соотношение обусловлено необходимостью иметь вполне определенный (на уровне ~0.8 при высоком напряжении) коэффициент усиления по току p-n-p транзистора в составе четырехслойной тиристорной структуры для обеспечения требуемых значений блокирующих напряжений и du/dt – стойкости. При этом, однако, во включенном состоянии, распределение по толщине структуры концентрации избыточных электронно-дырочных пар существенно неоднородно, а, следовательно, неоднородно и распределение напряженности электрического поля (см. рис. 2).

В импульсных тиристорах производства «Протон-Электротекс» для поддержания требуемого значения коэффициента усиления по току p-n-p транзистора применяется p-эмиттер специальной конструкции – так называемый полупрозрачный эмиттер (transparent emitter). Используемые диффузионные технологии его формирования вместе с низкотемпературной технологией формирования анодного омического контакта (синтеринг) позволяют с высокой степенью воспроизводимости регулировать его коэффициент инжекции и добиться его малого разброса по площади силовой полупроводниковой структуры.

Применение p-эмиттера с контролируемой эффективностью позволяет уменьшить соотношение Wn/L до 1 и менее. В результате получаем более равномерное распределение напряженности электрического поля по толщине структуры (см. рис. 2).

Т.к. объемная плотность мощности потерь является произведением напряженности электрического поля на плотность тока, то для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности имеем меньшую локальную плотность мощности потерь (и плотность энергии потерь), чем для структуры традиционного тиристора при идентичном падении напряжения. Для коротких импульсов тока, когда процессы тепловыделения можно считать адиабатическими, это приводит к примерно на 20% меньшему локальному перегреву для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности.

Таким образом энергия, применение этого конструктивно-технологического решения позволяет в сравнении с «традиционным» тиристором, обладающим идентичной ВАХ во включенном состоянии, получить до 20% преимущества по допустимой энергии потерь при коммутации коротких импульсов тока с высокой амплитудой.

а).

б).

Рис. 2. Распределения концентрации избыточных электронно-дырочных пар (а) и напряженности электрического поля (б) по толщине кремниевой тиристорной структуры с эмиттером контролируемой эффективности (1) и структуре «традиционного тиристора» (2). Тиристорные структуры во включенном состоянии, проводят ток плотностью 2000 А/см2, имеют при этом идентичное падение напряжения 5.0 В.

 

Топология

Управляющий электрод с высокой степенью разветвления, позволяет безопасно коммутировать импульсы тока с высокой скоростью нарастания и осуществлять быстрое включение тиристорной структуры по всей активной площади.

Применяемые топологии и достижимые импульсные характеристики приведены в Табл 1. Для тиристорных элементов каждого диаметра разработаны и применяются по два варианта топологии: с «максимальным» и с «оптимальным» разветвлением. Вариант с максимальным разветвлением предназначен для коммутации импульсов тока с наибольшей скоростью нарастания, однако из-за больших потерь площади на размещение управляющего электрода уступает второму варианту по допустимой амплитуте импульсов тока при длительности этих импульсов более 200…300 мкс. Вариант с «оптимальным» разветвлением оптимизирован для коммутации импульсов тока максимальной амплитуды при длительностях свыше 300 мкс. Эта топология рассчитана таким образом, чтобы при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания 3-8 кА/мкс разброс плотности энергии потерь и температуры перегрева по площади полупроводниковой структуры был незначительным.

В качестве примера на рис. 3 приведены расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4,5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Зависимости приведены для тиристора 28 класса с диаметром элемента 100 мм.

Рис. 3. Расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4.5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Тип тиристора: диаметр элемента 100 мм, UDRM=URRM=2800В.

 

Из рисунка видно, что плотность тока в процессе распространения включенного состояния не превышает максимума, который соответствует максимальному значению анодного тока.

Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками приведена на рис. 4. Видно, что максимальная разница температуры между горячей и холодной точками не превышает 18°С. Она достигается в момент времени полного включения всей площади полупроводниковой структуры и далее уменьшается с тесением времени. В момент достижения абсолютного максимума температуры (400 мкс) разница температуры снижается примерно до 10°С. При этом следует иметь в виду, что температура абсолютного максимума эквивалентной структуры, включающейся одновременно по всей площади (например РВД) будет лежать между температурами горячей и холодной точек тиристора.

Следовательно  локальный перегрев тиристорной структуры относительно РВД в приведенном режиме не превысит 5-7°С.

Рис.4. Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками тиристорной структуры.

 

«Распределенный» вспомогательный тиристор. Конструкция современного тиристора с большой площадью кремниевого элемента как правило содержит разветвленный управляющий электрод (РУЭ) и вспомогательный (усилительный) тиристор (ВТ), катод которого соединен с РУЭ, а анод – общий с основной тиристорной структурой. Назначение ВТ – сформировать «усиленный» импульс тока управления, подающийся на РУЭ, который имеет значительную длину периметра. Обычно структура ВТ формируется в виде достаточно узкого кольца, шириной около 1 мм, окружающего основной управляющий электрод тиристора. Для функционирования тиристора в обычных режимах этого достаточно, т.к. после включения основного тиристора по периметру РУЭ происходит быстрый «перехват» анодного тока и ВТ либо отключается, либо плотность тока в нем снижается до «безопасных» пределов.

Однако, при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс, как показали исследования, снижение плотности тока, протекающего через ВТ происходит достаточно медленно, а амлитуда тока может достигать значительных величин.

Чтобы «разгрузить» структуру ВТ, т.е уменьшить плотность протекающего через него тока, на импульсных тиристорах «Протон-Электротекс» применяется т.н. распределенный ВТ, представляющий из себя «полноценную тиристорную структуру, площадью около 0,5 кв.см для элементов диаметром 56 мм и около 1-2 кв. см. для элементов диаметром 80-100 мм (рис. 5). Исследования показали, что применение подобной структуры ВТ позволяет снизить локальный перегрев этой структуры до величины, меньшей, чем максимальный перегрев основной структуры.

Рис.5. Кремниевый элемент импульсного тиристора с «распределенным» ВТ и «мелкой» катодной шунтировкой.

 

«Мелкая» катодная шунтировка. Применена распределенная катодная шунтировка n-эмиттера с размером элементарного шунта около 100 мкм. Типичная величина амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в n-базе составляет около 400 мкм. Таким образом, применив такую шунтировку, удается получить равномерное распределение концентрации избыточных-электронно-дырочных пар без локальных «провалов» под местами расположения катодных шунтов и, следовательно, использовать всю активную площадь тиристорной структуры для проведения тока.

 

Контакты

Контакт анода полупроводниковой структуры с молибденовым диском-термокомпенсатором осуществляется с помощью технологии низкотемпературного спекания на слой мелкодисперсной серебряной пасты (синтеринг) [10]. Эта технология представляет собой процесс низкотемпературного (около 250С) спекания серебряной пасты практически в монолитное серебро. В применении к импульсным тиристорам дает следующие преимущества.

- Процесс идет при 250С, а традиционно применяемый для соединения с молибденовым диском процесс сплавления (вакуумной пайки на силумин) – при около 700°С. Поэтому после синтеринга получаем в «пакете» кремний-молибден значительно меньшие остаточные деформации и внутренние механические напряжения. В результате – повышение ресурса по циклостойкости [11-12] (а для режимов коммутации токов с требуемой амплитудой это архиважно, т.к. пропускание каждого импульса тока сопровождается очень жестким термоциклом как раз для соединения кремний-молибден, т.к. кремний разогревается более, чем до 200°С, а молибденовый диск за исключением неглубокого слоя, прилегающего к кремнию, остается холодным.

- При традиционном процессе сплавления поверхностные слои кремниевой структуры растворяются силумином. При этом становится невозможным гарантировать идентичность свойств анодного эмиттера на площади структуры (даже в случае, если это традиционный не «полупрозрачный» p-эмиттер). В результате для традиционной технологии имеем повышенный разброс плотности тока по площади структуры. Технология синтеринга этот недостаток исключает [13].

- В традиционном процессе сплавления чрезвычайно сложно добиться равномерного остывания по всей площади структуры (особенно, если эта площадь большая). В результате, процесс кристаллизации силумина в соединительном шве начинается, обычно, с периферии и, затем распростаняется в направлении центра дискообразного пакета кремний-молибден. Это приводит к неравномерности толщины шва по диаметру, см. рис. 6.

Рис. 6. Неравномерность толщины «сплавного» шва по диаметру, возникающая из-за неравномерного остывания при кристаллизации силумина

 

Наличие такой неоднородности толщины шва мало влияет на свойства анодного контакта, однако может серъезно ухудшить катодный (прижимной) контакт.

В технологии синтеринга высокая равномерность толщины шва гарантирована.

 

Прижимной катодный контакт. Для обеспечения надежного прижимного катодного контакта применяется катодная прокладка из молибдена со специальным покрытием. Выбор сделан в результате длительных и объемных исследований разных вариантов материалов и покрытий. Применяемая прокладка обеспечивает высокую циклостойкость контакта, малое электрическое и тепловое сопротивление, отсутствие деградации при длительной эксплуатации, в том числе при коммутации большого числа (свыше 100000) импульсов тока высокой амплитуды. Рассмотренные выше конструктивно-технологические решения известны и, по отдельности, применяются для улучшения импульсных свойств тиристоров рядом фирм – производителей. Однако, только совокупность этих технических решений, примененная с учетом современных технологических возможностей, позволила «Протон-Электротекс» организовать серийное производство импульсных тиристоров с уникальным набором характеристик. В качестве примера ниже приведены результаты испытаний экспериментального импульсного ключа на базе последовательной сборки тиристоров 28 класса с диаметром полупроводникового элемента 100 мм [14].

 

Экспериментальный ключ на импульсных тиристоразх.

 Экспериментальные импульсные тиристоры, с повторяющимся импульсным блокирующим напряжением 2800В были изготовлены с применением описанных выше технических решений.

Тиристоры имели кремниевый элемент диаметром 100 мм, который изготавливался на пластинах нейтроннолегированного кремния с удельным сопротивлением 120 Ом*см, толщиной 580 мкм. Топология управляющего электрода показана в табл. 1 (п.5). Эта топология обеспечивает оптимальное время включения тиристора по всей площади при коммутации импульсов, близких по форме к полуволне синусоиды, длительностью 300-1000 мкс. При этом потери площади на размещение области управления минимизированы и составляют всего около 14%, активная площадь тиристорного элемента составляет около 55 см2. Тиристоры имели таблеточную конструкцию корпуса.

Экспериментальный тиристорный ключ состоял из 10 тиристоров в последовательной сборке, рис 7., и вспомогательной сборке из встречнопараллельных диодов.

Рис. 7. Экспериментальный тиристорный ключ.

 

 Испытания проводились в разрядном R-L-C контуре, рис. 8 при начальном напряжении на конденсаторах 24 кВ. Форма импульсов тока и напряжения при разряде показана на рис. 9. При испытаниях ключ устойчиво коммутирует импульсы тока с амплитудой до 250 кА и скоростью нарастания около 4.5 кА/мкс.


Рис. 8. Испытательный стенд с разрядным контуром.

 

Рис. 9. Анодный ток и напряжение на тиристорном ключе.

 

Таблица 1

Топологии разветвленного управляющего электрода

Диам. эл-та, мм

Вид топологии

Допустимая di/dt, А/мкс

Тип. время полного включения, мкс

I2t, А2с

1

56

4000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 10 кА)

40…60

3,0E6 (UDRM=2800 В)

1,8E6

(UDRM=4400 В)

Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды

2

56

6000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 10 кА)

20…30

2,3E6 (UDRM=2800 В)

1,4E6

(UDRM=4400 В)

Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды

3

80

6000

(Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)

40…60

17,0E6 (UDRM=2800 В)

10,0E6

(UDRM=4400 В)

Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды

4

80

10000

(Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)

20…30

10,0E6 (UDRM=2800 В)

6,0E6

(UDRM=4400 В)

Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды

5

100

10000

(Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)

40…60

37,0E6 (UDRM=2800 В)

24,0E6

(UDRM=4400 В)

Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды

6

100

15000

(Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)

20…30

26,0E6 (UDRM=2800 В)

16,0E6

(UDRM=4400 В)

Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды

 

ЛИТЕРАТУРА

 

[1]   M.E.Savage "Final Results From the High-Current, High-Action Closing Switch Test Program at Sandia National Laboratories", IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 28, no. 5, pp. 1451-1455, Oct. 2000.

[2]   H. Singh and C. R. Hummer “High action thyristors for pulse power applications”, in 12th IEEE Pulse Power Conference, June 1999.

[3]   S. Ikeda and T. Araki, “ The di/dt capability of thyristors”, Proc. IEEE, no. 8, pp. 1301-1305, 1967.

[4]   S.S. Asina, A.M. Surma, “A new design-technology technique for optimization of high power pulse thuristor characteristics”, in ELECTRIMACS Conference, Saint-Nazaire, Sept. 1996, pp. 485-490.

[5]   W.H. Tobin, “Effect of gate configuration on thyristor plasma properties”, in IEE IAS Conference Record, IEE IAS Annual Meeting, 1978.

[6]   Linder S., Klaka S. et al., "A New Range of Reverse Co

Вернуться назад

Современные силовые запираемые тиристоры - Компоненты и технологии

Введение

Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники началось в 1953 г., когда стало возможным получение кремния высокой чистоты и формирование кремниевых дисков больших размеров. В 1955 г. был впервые создан полупроводниковый управляемый прибор, имеющий четырехслойную структуру и получивший название «тиристор».

Он включался подачей импульса на электрод управления при положительном напряжении между анодом и катодом. Выключение тиристора обеспечивалось снижением протекающего через него прямого тока до нуля, для чего было разработано множество схем индуктивно-емкостных контуров коммутации. Однако они не только увеличивали стоимость преобразователя, но и ухудшали его массо-габаритные показатели, снижали надежность.

Поэтому одновременно с созданием тиристора начались исследования, направленные на обеспечение его выключения по управляющему электроду. Главная проблема состояла в обеспечении быстрого рассасывания носителей зарядов в базовых областях.

Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn Off (GTO). В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры.

В середине 90-х годов был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate Commutated Thyristor (GCT) и стал дальнейшем развитием GTO-технологии.

Тиристоры GTO

Устройство. Запираемый тиристор — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого лежит классическая четырехслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. На рис. 1 приведены условное обозначение (а) и структурная схема (б) выключаемого тиристора.

Подобно обычному, он имеет катод K, анод А и управляющий электрод G. Различие в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и р-проводимостями.

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.

Базовый слой p, несмотря на то что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

Анодный слой p имеет шунты (зоны n), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n.

Основное исполнение тиристоров GTO — таблеточное с четырехслойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющий электрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения.

Принцип действия

В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние.

Рис. 1

На схематичном разрезе тиристорной структуры (см. рис. 1, б) нижний вывод — анодный. Анод контактирует со слоем p. Далее (снизу вверх) следуют: базовый слой n, базовый слой p (имеющий вывод управляющего электрода) и слой n, непосредственно контактирующий с катодным выводом. Четыре слоя образуют три p—n-перехода: j
1 между слоями p и n; j
2 между слоями n и p; j
3 между слоями p и n.

Фаза 1 — включение

Переход тиристорной структуры из блокирующего состояния в проводящее (включение) возможен только при приложении прямого напряжения между анодом и катодом. Переходы j
1 и j
3 смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению носителей зарядов. Все напряжение прикладывается к среднему переходу j
2, который смещается в обратном направлении. Около перехода j
2 образуется зона, обедненная носителями зарядов, получившая название области объемного заряда. Чтобы включить тиристор GTO, к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение положительной полярности UG (вывод «+» к слою p). В результате по цепи протекает ток включения I
G.

Запираемые тиристоры предъявляют жесткие требования к крутизне фронта dI
G/dt и амплитуде I
GM тока управления. Через переход j
3, кроме тока утечки, начинает протекать ток включения I
G. Создающие этот ток электроны будут инжектироваться из слоя n в слой p. Далее часть из них будет перебрасываться электрическим полем базового перехода j
2 в слой n.

Одновременно увеличится встречная инжекция дырок из слоя p в слой n и далее в слой p, то есть произойдет увеличение тока, созданного неосновными носителями зарядов.

Cуммарный ток, проходящий через базовый переход j
2, превышает ток включения, происходит открытие тиристора, после чего носители зарядов будут свободно переходить через все его четыре области.

Фаза 2 — проводящее состояние

В режиме протекания прямого тока нет необходимости в токе I
G, если анодный ток превышает величину тока удержания. Однако на практике, для того чтобы все структуры выключаемого тиристора постоянно находились в проводящем состоянии, все же необходимо поддержание тока, предусмотренного для данного температурного режима. Таким образом, в течение времени включения и нахождения в проводящем состоянии система управления формирует ток положительной полярности.

В проводящем состоянии все области полупроводниковой структуры обеспечивают равномерное движение носителей зарядов (электронов от катода к аноду, дырок — в обратном направлении). Через переходы j
1, j
2 протекает анодный ток, через переход j
3 — суммарный ток анода и управляющего электрода.

Фаза 3 — выключение

Для выключения тиристора GTO при неизменной полярности напряжения UT (рис. 3) к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности UGR. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведет к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом слое p. Другими словами, происходит рекомбинация дырок, поступивших в слой p из базового слоя n, и электронов, поступивших в этот же слой по управляющему электроду.

Рис. 2

По мере освобождения от них базового перехода j
2 тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшением прямого тока IТ тиристора за короткий промежуток времени до небольшой величины IТQT (рис. 2). Сразу после запирания базового перехода j
2 начинает закрываться переход j
3, однако за счет энергии, запасенной в индуктивности цепей управления, он еще некоторое время находится в приоткрытом состоянии.

Рис. 3

После того как вся энергия, запасенная в индуктивности цепи управления, будет израсходована, переход j
3 со стороны катода полностью запирается. С этого момента ток через тиристор равен току утечки, который протекает от анода к катоду через цепь управляющего электрода.

Процесс рекомбинации и, следовательно, выключения запираемого тиристора во многом зависит от крутизны фронта dI
GQ/dt и амплитуды I
GQ обратного тока управления. Чтобы обеспечить необходимые крутизну и амплитуду этого тока, на управляющий электрод требуется подать напряжение UG, которое не должно превышать величины, допустимой для перехода j
3.

Фаза 4 — блокирующее состояние

В этом режиме к управляющему электроду и катоду остается приложенным напряжение отрицательной полярности UGR от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток I
GR, состоящий из тока утечки тиристора и обратного тока управления, проходящего через переход j
3. Последний смещается в обратном направлении. Таким образом, в тиристоре GTO, находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода (j
2 и j
3) смещены в обратном направлении, и образованы две области пространственного заряда.В течение всего времени выключения и блокирующего состояния система управления формирует напряжение отрицательной полярности.

Защитные цепи

Использование тиристоров GTO требует применения специальных защитных цепей. Они увеличивают массогабаритные показатели, стоимость преобразователя, иногда требуют дополнительных охлаждающих устройств, однако являются необходимыми для нормального функционирования приборов.

Назначение любой защитной цепи — ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этом конденсаторы защитной цепи СВ (см. рис. 3) подключают параллельно защищаемому прибору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого напряжения dUT/dt при выключении тиристора.

Дроссели LE устанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого тока dI
T/dt при включении тиристора. Значения dU
T/dt и dI
Т/dt для каждого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортных данных на приборы.

Кроме конденсаторов и дросселей в защитных цепях используют дополнительные элементы, обеспечивающие разряд и заряд реактивных элементов. К ним относятся: диод DВ, который шунтирует резистор RВ при выключении тиристора Т и заряде конденсатора СВ, резистор RВ, ограничивающий ток разряда конденсатора СВ при включении тиристора Т.

Система управления

Система управления (СУ) содержит следующие функциональные блоки: включающий контур, состоящий из схемы формирования отпирающего импульса и источника сигнала для поддержания тиристора в открытом состоянии; контур формирования запирающего сигнала; контур поддержания тиристора в закрытом состоянии.

Все перечисленные блоки нужны не для всех типов СУ, но контуры формирования отпирающих и запирающих импульсов должна содержать каждая СУ. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку схемы управления и силовой цепи выключаемого тиристора.

Для управления работой выключаемого тиристора применяются две основные СУ, отличающиеся способами подачи сигнала на управляющий электрод. В случае, представленном на рис. 4, сигналы, формируемые логическим блоком S
t, подвергаются гальванической развязке (разделение потенциалов), после чего производится их подача через ключи SE и SA на управляющий электрод выключаемого тиристора Т. Во втором случае сигналы сначала воздействуют на ключи S
E (включения) и S
A (выключения), находящиеся под тем же потенциалом, что и СУ, затем через устройства гальванической развязки U
E и U
A подаются на управляющий электрод.

В зависимости от расположения ключей S
E и S
A различают низкопотенциальные (НПСУ) и высокопотенциальные (ВПСУ, см. рис. 4) схемы управления.

Рис. 4

Система управления НПСУ конструктивно проще, чем ВПСУ, однако ее возможности ограничены в отношении формирования управляющих сигналов большой длительности, действующих в режиме протекания через тиристор прямого тока, а также в обеспечении крутизны импульсов управления. Для формирования сигналов большой длительности здесь приходится использовать более дорогие двухтактные схемы.

В ВПСУ высокая крутизна и увеличенная длительность управляющего сигнала достигается проще. Кроме того, здесь сигнал управления используется полностью, в то время как в НПСУ его величина ограничивается устройством разделения потенциалов (например, импульсным трансформатором).

Информационный сигнал — команда на включение или выключение — обычно подается на схему через оптоэлектронный преобразователь.

Продолжение следует

Помощь в назначении тиристоров и Помощь в домашнем задании по тиристорам

Развивайте свои знания о тиристорах с помощью нашей эффективной помощи в выполнении домашних заданий по тиристорам

В наши дни все оцифровано, когда человек может контактировать со своими близкими, живущими в разных частях мира, и это стало возможным с помощью Интернета. Интернет предлагает самую большую платформу, на которой можно получить информацию практически обо всем. Люди используют эту новейшую технологию, чтобы выполнять свою работу без особых хлопот, например, учащиеся выполняют домашнее задание через онлайн-службы поддержки домашних заданий.

Мы на myhomeworkhelp.com предлагаем лучшую домашнюю помощь по тиристорам для студентов, которые сталкиваются с проблемами по этому предмету и хотят хорошо сдать экзамен. Однако изучение основных аспектов этого предмета - непростая задача. Чтобы получить подробные знания, вы должны сначала знать его основные вещи. Давайте вкратце изучим.

Что такое тиристор?

Тиристор - это в основном четырехслойный полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся материалов N-типа и P-типа.В типичном тиристоре используются электроды трех типов - катод, затвор и анод. Наиболее часто используемый и распространенный тип тиристоров - это кремниевый выпрямитель. Когда катод заряжен отрицательно по отношению к аноду, ток не течет до тех пор, пока на затвор не будет подан импульс. Используя эти типы тиристоров, можно легко управлять или переключать большую мощность с помощью этого небольшого пускового устройства.

Учащимся средних школ часто бывает трудно справиться с этим предметом. Чтобы помочь студентам и улучшить их знания, мы создали группу экспертов из тиристоров и , которые не только помогут вам выполнить домашнее задание, но и подготовят вас к хорошему результату на экзамене.

Для чего нужен тиристор?

Одно из наиболее распространенных применений тиристоров - в цепях переменного тока. В точке переменного тока прямой ток падает до нуля во время циклов, и поэтому всегда есть функция отключения. На самом деле это означает, что ворота должны срабатывать в каждом цикле, чтобы снова повернуть их. Тиристоры используются для управления скоростью двигателя; системы контроля давления и управления светорегуляторами. Сегодня тиристоры производятся до 570 ампер. Эта дискретная форма шпильки в настоящее время доминирует на рынке.

Наша домашняя помощь по тиристорам Специалисты более подробно научат вас использованию тиристоров. Их методы обучения развивают определенные техники, которые помогают им понять основную концепцию обучения. Поэтому, если вы столкнулись с трудностями при выполнении домашней работы по этому предмету, помощь нашего профильного эксперта окажется лучшим решением.

Почему стоит выбрать услуги myhomeworkhelp.com?

Эксперты myhomeworkhelp.com стремится предложить учащимся лучшие услуги по назначению тиристоров за счет упрощения сложных задач. Мы понимаем, что студентам необходимо разбираться в различных предметах, чтобы хорошо сдать экзамен. Наши домашние задания по тиристорам помогают специалистам взять на себя ответственность за подготовку заданий. Предлагаемые нами услуги имеют следующие особенности -

  • Своевременная сдача работ по Помощь по назначению тиристоров
  • Копии без ошибок, подготовленные профильными специалистами.
  • Круглосуточное обслуживание.
  • Ключевой упор на решение основных требований студентов.

Поэтому, если вы обременены домашней работой и нуждаетесь в совете специалиста, посетите наш веб-сайт сегодня и отправьте свои задания. Мы заверяем вас, что вы предоставите лучший сервис, который вы пожелаете.

US 4,296,427 A - Тиристор с усиленным затвором с обратной проводимостью и пластинчатым разделителем

Тиристор с обратной проводимостью состоит из тиристорной секции, диодной секции и разделительной секции.Три секции составляют одно целое в цилиндрический корпус. Тиристорная секция состоит из первой области первого типа проводимости, второй области второго типа проводимости, третьей области первого типа проводимости, основной эмиттерной области второго типа проводимости, катодного электрода, вспомогательного эмиттера. область, вспомогательный электрод затвора и основной электрод затвора.

Первая область сформирована на первом электроде, вторая область на первой области и третья область на второй области.Область основного эмиттера сформирована в третьей области таким образом, чтобы ее поверхность находилась на одном уровне с поверхностью третьей области. Вспомогательная эмиттерная область аналогичным образом сформирована в третьей области и обращена, по меньшей мере, к части той периферии основной эмиттерной области, которая не контактирует с разделительной секцией. Катодный электрод сформирован в области основного эмиттера. Вспомогательный электрод затвора частично сформирован в третьей области и частично в области дополнительного эмиттера и изогнут концентрически с цилиндрическим корпусом, чтобы окружать, по меньшей мере, часть упомянутой периферии области основного эмиттера.Главный электрод затвора сформирован на той части поверхности третьей области, которая примыкает к той боковой поверхности области вспомогательного эмиттера, которая не обращена к области основного эмиттера.

Диодная секция содержит четвертую область второго типа проводимости, пятую область первого типа проводимости и второй электрод. Четвертая область сформирована на первом электроде, пятая область - на четвертой области, а второй электрод - на пятой области.

Разделительная секция представляет собой пластину, которая состоит из шестой области первого типа проводимости, седьмой области второго типа проводимости и восьмой области первого типа проводимости.Шестая область сформирована на первом электроде, седьмая область на шестой области и восьмая область на седьмой области.

Журнал IEEE Power & Energy

Передача постоянного тока

Ртутно-дуговые и тиристорные клапаны HVdc

«К счастью, технология использования тиристоров для передачи постоянного тока отличается больше по размерам, чем по принципам, от технологии использования ртутно-дуговых клапанов».
E.W. Kimbark

Статья «История» в этом выпуске журнала IEEE Power & Energy Magazine, автором которой является Дипак Тику, является особенно своевременной, поскольку она продолжает историю, рассказанную в колонках за сентябрь / октябрь и ноябрь / декабрь 2013 года.В предыдущей статье, состоящей из двух частей, описывался синхронный или роторный преобразователь, раннее электромеханическое средство преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока для многих необходимых приложений. Роторный преобразователь был изобретен в конце 19 века и широко использовался в течение 20 века. Однако, начиная с 1930-х годов, роторные преобразователи постепенно вытеснялись более новой технологией.

В этой статье обсуждается эта новая технология, начиная с ртутно-дугового клапана и преобразователя, которая была изобретена в 1901 году и постепенно улучшалась, так что она получила широкое распространение к 1930-м годам.Разработка высоковольтного (HV) высокомощного ртутно-дугового клапана привела к появлению проектов передачи высокого напряжения постоянного тока в ряде стран. Появление твердотельной электроники и кремниевого выпрямителя в 1950-х годах привело к разработке преобразователя с тиристорным вентилем, который начал заменять ртутно-дуговые преобразователи в 1960-х годах. Сегодня эта область принадлежит тиристорам, а роторные и ртутно-дуговые преобразователи практически исчезли.

Дипак Тику родился в Сринагаре, Индия.Он получил B.E. степень в области электротехники в Технологическом колледже Маулана Азад, Бхопал, Индия, и степень магистра технических наук. диплом Индийского технологического института Дели. С 1984 по 1994 год Дипак работал в HVDC Engineering (Департамент энергетических систем) в National Thermal Power Corporation Limited, ныне известной как NTPC, Нью-Дели. Он участвовал в реализации первого проекта по передаче высокого напряжения постоянного тока на большие расстояния (1500 МВт ± 500 кВ) в Индии. Он был членом / участником различных рабочих групп СИГРЭ по тиристорным клапанам высокого напряжения постоянного тока.Он является автором и соавтором статей, которые были представлены или опубликованы на различных форумах. Он является членом группы B4 Национального исследовательского комитета СИГРЭ (Высоковольтные линии постоянного тока и силовая электроника). Его интересы включают системы силовой электроники (HVdc, STATCOM, VSC, MMC) и сетевую интеграцию возобновляемых источников энергии. В настоящее время он работает в отделе инженерных услуг NTPC, Нью-Дели.

Мы рады приветствовать Дипака Тику в качестве нашего гостя, автора истории в этом выпуске журнала IEEE Power & Energy Magazine

.

—Карл Зульцбергер
Заместитель редактора журнала History

Введение

Передача электроэнергии постоянным током (dc) впервые появилась во Франции благодаря вкладу Марселя Депре, который был представлен на Парижской выставке в 1881 году.В 1882 году Депрез помог Оскару фон Миллеру (основатель компании AEG в Германии) спроектировать передачу постоянного тока на большие расстояния для передачи мощности 15 кВт при напряжении 2000 В на расстояние 56,3 км от Мисбаха, Германия, на от предгорья Альп до Гласпаласта в Мюнхене. Взлет и падение использования передачи электроэнергии постоянного тока в начале 20-го века с последующим возрождением в начале 1950-х годов весьма интересны. Между 1900 и 1950 годами не было момента, когда системы постоянного тока того или иного типа не работали или разрабатывались.От варианта передачи электроэнергии постоянным током никогда не отказывались из-за упорства нескольких людей, таких как Рене Тюри, который считал, что два провода лучше, чем три, а реактивное сопротивление - ненужная нагрузка.

DC генерировался напрямую и передавался в центры нагрузки. Для увеличения мощности передачи постоянного тока швейцарский инженер Тьюри впервые применил то, что стало известно как «система Тьюри» в 1890 году, с использованием последовательного соединения генераторов постоянного тока. Однако использование передачи постоянного тока пришлось отложить до разработки высоковольтного и мощного ртутно-дугового клапана в 1940-х годах.С тех пор никто не оглядывался назад; Мосты с ртутно-дуговыми клапанами мощностью до 270 МВт были разработаны для передачи высокого напряжения постоянного тока (HVdc) в 1960-х годах. Десять лет спустя, в 1970-е годы, тиристорные клапаны полностью заменили ртутно-дуговые клапаны из-за их прочности, надежности, низких эксплуатационных расходов и стоимости, что дало реальный импульс передаче электроэнергии постоянного тока.

AC по сравнению с DC

Изначально энергосистемы разрабатывались как изолированные сети с учетом местных нужд.Но по мере роста спроса на электроэнергию и дальность передачи приходилось повышать напряжение, а для надежности сетей требовалось объединение соединений. Системы постоянного тока были ограничены из-за проблем коммутации и недоступности оборудования для преобразования напряжения и отключения токов. Кроме того, изобретение Тесла асинхронного двигателя произвело революцию в использовании энергии переменного тока в промышленности. Это привело к преобладанию переменного тока над постоянным током для генерации, передачи и, в значительной степени, использования энергии.Несмотря на все это, постоянный ток использовался для приводов (например, для городских железных дорог и прокатных станов, которые требовали лучшего контроля) и для электрохимических процессов. Передача постоянного тока не могла быть реализована без значительной потери мощности. Решение состояло в том, чтобы генерировать переменную мощность, передавать ее при более высоких напряжениях и преобразовывать ее в желаемый уровень постоянного напряжения, когда это необходимо. Ротационные преобразователи были единственным средством преобразования переменного тока в постоянный. Роторные преобразователи неизменно подавали нагрузки различной природы, что было крайне неэффективно.

Сети переменного тока 220 кВ созданы в 20-е годы прошлого века. По мере расширения систем переменного тока возникли проблемы со стабильностью. Системы передачи постоянного тока были признаны лучшим решением. Но из-за отсутствия необходимого оборудования для генерации HVdc оно продолжало оставаться в фоновом режиме. В то время единственной существующей системой постоянного тока была система Тьюри. В нем использовались низкоскоростные машины постоянного тока с приводом от водяных турбин, вырабатывающие более 3000 В. Низкая скорость была необходима для удовлетворительной коммутации и не могла использоваться на тепловых электростанциях с высокоскоростными турбинами.Генераторы постоянного тока будут работать последовательно и подавать фиксированный ток на нагрузку, состоящую из последовательно соединенных двигателей постоянного тока, управляющих нагрузками напрямую или, в качестве альтернативы, с использованием мотор-генераторных установок для подачи электроэнергии. Многие такие системы существовали в Европе с 1890 года; первой была система 630 кВт, 14 кВ, 37 миль (59,5 км) в Генуе, Италия. Самой важной системой постоянного тока, основанной на системе Тьюри, была система Мутье-Лион мощностью 150 кВ, 20 МВт во Франции, которая оставалась в эксплуатации в течение многих лет с 1906 по 1937 год.Система Willesdon-Ironbridge была установлена ​​в Англии в 1910 году для подачи электроэнергии мощностью 10 МВт в Саутхолл в 8,85 км, пока она не была демонтирована в 1924 году. Система Thury оказалась неадекватной для более высоких номинальных мощностей.

рисунок 1. Шесть одноанодных ртутно-дуговых клапанов на станции Шарлоттенбург, Берлин, для испытательной установки высокого напряжения постоянного тока, Берлин-Моабит, 1942 г. (фото любезно предоставлено Siemens AG, Siemens Press Picture, исх. Номер sosep200501-01).

Одновременно велись поиски преобразования при высоких напряжениях, поскольку прямая генерация системы Thury имела ограничения.Теория преобразователей была хорошо разработана перед Первой мировой войной, и патент был подан американцем П. Thomas, в 1903 году. Вопреки развитому состоянию теории электричества, преобразовательная техника находилась в примитивном состоянии. В преобразователе нет преобразования энергии, как в случае вращающегося преобразователя. С появлением ртутно-дугового выпрямителя преобразование переменного тока в постоянное происходило непосредственно посредством периодического переключения. КПД этих выпрямителей был высоким и практически одинаковым во всех условиях эксплуатации.Дополнительное преимущество простоты и быстрого запуска способствовало их популярности. Ртутно-дуговые выпрямители удовлетворяли всем основным требованиям выпрямления мощности с конца 1920-х по 1950-е годы.

К тому времени, когда высоковольтная передача постоянного тока стала технически возможной с появлением мощных ртутно-дуговых клапанов, проблемы стабильности в системах переменного тока были более или менее преодолены. Следовательно, dc пришлось конкурировать с ac и с экономической точки зрения. Дальность передачи по воздуху должна составлять не менее 500 миль (~ 800 км), чтобы создать значительный стимул для продолжения внедрения HVdc.Также с годами менялись требования к энергосистемам. Передача постоянного тока не заключалась в подключении источника постоянного тока к нагрузке постоянного тока; вместо этого ему пришлось подключить энергосистемы, по которым протекает переменный ток.

Разработка ртутно-дугового клапана

Ртутно-дуговый клапан был изобретен в 1901 году Питером Купером Хьюиттом из США. К концу Первой мировой войны ртутно-дуговый выпрямитель со стеклянной колбой (или Hewittic) достиг предела своих возможностей из-за большого размера необходимой стеклянной оболочки. Выпрямитель со стальным резервуаром, имеющий прочную конструкцию и большую пропускную способность по току, также был впервые разработан Хьюиттом в 1908 году.Из-за лучшей теплопроводности стали большой охлаждающий купол выпрямителей со стеклянной колбой не требовался. В конце 1920-х годов Ленгмюр изобрел управление сеткой, которое сделало возможным как процессы выпрямления, так и инверсии. Основная трудность выпрямителей со стальным резервуаром заключалась в поддержании герметичности уплотнений, необходимых для поддержания способности блокировки напряжения во время отрицательного анодного напряжения.

рис. 2. Ртутно-дуговый клапан для линии ВН постоянного тока Готланд; из брошюры ASEA 8585E, 1971 г. (фото любезно предоставлено ABB Asea Brown Boveri Ltd., Цюрих, Швейцария).

Эти ограничения способствовали развитию преобразования другими способами, например, периодическим переключением подвижных контактов генератора с помощью синхронного двигателя. Этот принцип был использован Калверли и Хайфилдом в Англии при разработке системы трансвертера в начале 1920-х годов и системы Glesum в Швеции в начале 1930-х годов. Такая система не могла удовлетворительно работать в переходных условиях. Выпрямители с воздушным дутьем Marx давали некоторую надежду в 1930-х годах, но она была недолгой из-за отказов при более высоких нагрузках.Было очевидно, что переключение должно выполняться электронными клапанами, которые обладают способностью размыкать цепь или блокировать, когда ток достигнет нуля.

Благодаря постоянным усовершенствованиям, к середине 1930-х годов ртутно-дуговые выпрямители были доступны во многих конструкциях, которые можно разделить на две категории: 1) герметичный стеклянный колпак для меньших номиналов и 2) стальные резервуары с металлическими рубашками охлаждения и вакуумные насосы для более высоких номиналов . В 1932 году ртутно-дуговые клапаны были впервые использованы для экспериментальной линии постоянного тока мощностью 3 МВт и 45 кВ между Швейцарией и Германией.Однако было трудно достичь высоковольтной устойчивости и низких потерь, которые сделали бы его экономичным и конкурентоспособным с передачей переменного тока. В высоковольтных ртутно-дуговых клапанах блокирующее напряжение было сосредоточено в узкой области, что делало эти устройства очень чувствительными к загрязнению поверхности и условиям вакуума. В 1939 году д-ру Уно Ламн из ASEA был выдан патент на введение калибровочных электродов в ртутно-дуговые клапаны. Это значительно улучшило распределение напряжения и увеличило устойчивость к нагрузкам.После этого к передаче постоянного тока стали относиться серьезно, и в 1940-х годах в Германии появились экспериментальные линии связи большой мощности от Моабита до Берлина (см. Рис. 1), в Швеции и США. Однако работы по передаче постоянного тока были в значительной степени замедлены из-за Второй мировой войны.

рисунок 3. Одноанодный ртутно-дуговый вентиль, система ВН постоянного тока Волгоград – Донбасс (130 кВ, 900 А). Клапан имеет высоту 11,5 футов (3,5 м) и весит примерно 2 тонны (фото любезно предоставлено IEEE).

В 1941 году первая коммерческая система передачи высокого напряжения постоянного тока была заказана в Германии у консорциума Siemens-Schuckert, AEG и F&G.При вводе в эксплуатацию он будет передавать 60 МВт мощности при ± 200 кВ от электростанции Фокероде на реке Эльба в Берлин на расстояние 115 км по суше через пару проложенных кабелей, чтобы не привлекать внимание союзников. . Каждая преобразовательная подстанция имела два шестиимпульсных моста на 200 кВ, и каждый вентиль в мосту состоял из трех последовательно соединенных одноанодных ртутно-дуговых вентилей. Немцы завершили амбициозный проект HVdc Эльба-Берлин в апреле 1945 года на фоне Второй мировой войны, но работы по вводу в эксплуатацию не были завершены.После окончания войны вся система была разобрана и перевезена в СССР русскими, что помешало Германии добиться успеха по вводу в эксплуатацию первого коммерческого проекта высоковольтного постоянного тока. Система HVdc Эльба-Берлин была переустановлена ​​в 1950 году как система электропередачи Москва-Кашира, которая использовалась в качестве линии электропередачи и исследовательского центра.

С тех пор было введено в эксплуатацию несколько систем высокого напряжения постоянного тока на основе ртутно-дуговых клапанов. В 1946 году ASEA подала питание на экспериментальную линию постоянного тока протяженностью 37,3 миль (60 км) между Меллерудом и Тролльхеттаном в Швеции.Мощность линии составила 6,5 МВт при напряжении 90 кВ. Впоследствии, в 1954 году, первая коммерческая подводная линия HVdc Gotland (20 МВт, 100 кВ) была введена в эксплуатацию ASEA (см. Рисунок 2). По мере развития технологии ртутно-дуговых клапанов высокого напряжения постоянного тока использовались клапаны двух совершенно разных конструкций - шведская и российская. Основное различие было связано с количеством калибровочных электродов. В российском клапане использовалось четыре калибровочных электрода, тогда как в шведской конструкции использовалось большое количество калибровочных электродов, например, 20 электродов для клапана на 125 кВ.

Несколько конструкций калибровочных электродов предлагали высокий номинальный ток / анод, но ограниченную способность выдерживать напряжение. В российской конструкции использовался ртутно-дуговый клапан с одним анодом (см. Рисунок 3), а для более высокого напряжения использовались два таких клапана последовательно. В шведской конструкции использовались многоанодные ртутно-дуговые клапаны со всеми анодами, установленными на общем катодном резервуаре (см. Рисунок 2). Когда требовалось напряжение выше 125 кВ, два полных шестиимпульсных моста были включены последовательно. В шведской конструкции использовалось водяное охлаждение, в то время как в российской конструкции катод применялся масляным.В 1961 году компания English Electric Company UK подписала соглашение с ASEA на разработку и производство ртутно-дуговых клапанов и впоследствии провела доработки в вакуумной оболочке. Это привело к разработке в Великобритании клапана Kingsnorth, а затем клапана Nelson River I, который оказался самой мощной и последней установкой для передачи постоянного тока с ртутно-дуговым клапаном (см. Рис. 4). За новаторские усилия доктора Уно Ламма из ASEA в Швеции Институт инженеров-электриков (IEE) в Великобритании в 1965 году удостоил его звания «отца высоковольтной передачи электроэнергии».В то время его высоковольтный ртутно-дуговый клапан использовался исключительно в проектах высокого напряжения постоянного тока. Последний ртутно-дуговый клапан, разработанный ASEA, был рассчитан на ток 1000 А / анод, который так и не был запущен в производство из-за быстрого прогресса в разработке тиристорных клапанов.

рис. 4. Ртутно-дуговые клапаны English Electric Co. на станции Дорси, проект Nelson River 1, Манитоба, Канада [из Дж. М. Фергюсона, «Коридоры власти», Proc. Inst. Elec. Электрон., Т. 120, нет. 1, январь 1973 г., стр. 49, фото любезно предоставлено Институтом инженерии и технологий (IET)].

Из-за высоких затрат на преобразование до середины 1960-х годов высоковольтное напряжение постоянного тока использовалось только в условиях, когда системы переменного тока сталкивались с эксплуатационными трудностями, такими как морские переходы. Волгоград-Донбасс (СССР) - первая экспериментальная и промышленная воздушная линия электропередачи сверхвысокого напряжения постоянного тока (EHVdc) (± 400 кВ), вводимая в эксплуатацию поэтапно (сначала на 100 кВ, затем на 200 кВ, и наконец на ± 400 кВ) с 1962 по 1965 год; Сообщается, что его использование является низким (см. Таблицу 1). Первая дальняя линия сверхвысокого напряжения постоянного тока (± 400 кВ) на западе (Pacific Intertie, США) была подана в 1970 году после 16-летнего перерыва, в течение которого мощность ртутно-дугового моста увеличилась в 24 раза.За этой системой последовали другие дальние звенья постоянного тока с ртутно-дуговыми клапанами.

Ртутно-дуговые клапаны почти достигли пика своего развития к концу 1960-х годов, когда было невозможно дополнительно увеличить запирающее напряжение ртутно-дугового клапана. Напряжение и номинальная мощность систем постоянного тока в основном определялись двумя типами конструкции клапана: 1) четыреханодный клапан с шестипульсным мостовым номиналом 133 кВ, 1200 А, 160 МВт и 2) шестианодный клапан с шестипульсным мостом мощностью 150 кВ, 1800 А, 270 МВт (см. Таблицу 1).Технология ртутно-дуговых клапанов ограничивала свободу выбора номинальных характеристик клапанов преобразователя, чтобы максимально использовать преимущества высокого напряжения постоянного тока. Кроме того, явление обратного дугового разряда потребовало быстрого включения и выключения относительно небольших блоков питания. Основными проблемами, связанными с ртутно-дуговыми клапанами, которые повлияли на работу преобразовательной подстанции, были

  • дуговые спинки
  • радиопомехи
  • время прогрева
  • ограничение скорости изменения нагрузки
  • меньшая гибкость в номинальном напряжении
  • Необходимость дегазации
  • более высокое обслуживание
  • клапанный зал большего размера
  • Потребность в перепускных клапанах
  • износ в эксплуатации.

таблица 1. Схемы передачи постоянного тока (1954–1976).

Существовали также экологические проблемы, связанные с эксплуатацией ртутно-дуговых клапанов. Каждый герметичный ртутно-дуговый клапан содержал 2,64 кварты (2,5 л) ртути. Во время эксплуатации и технического обслуживания клапанов ежегодно в атмосферу выбрасывается несколько фунтов паров ртути; следовательно, для контроля воздействия ртути требовался тщательный мониторинг клапанных залов. Системы передачи постоянного тока на основе ртутных дуговых клапанов были ограничены началом 1970-х годов (см. Таблицу 1).На сегодняшний день ртутно-дуговые вентили во всех системах ВНП заменены тиристорными вентилями, за исключением одного звена.

Разработка тиристорного клапана

Селеновые элементы, обладающие ректификационными свойствами, были открыты в 1883 году, но они стали коммерчески доступными в конце 1930-х годов только после появления выпрямителей на основе оксида меди. Недостатками металлических выпрямителей были низкая рабочая температура, плотность тока и выдерживаемое напряжение на элемент, что приводило к громоздким блокам выпрямителей и огромным потерям.Изобретение монокристаллических полупроводников в конце 1940-х годов изменило историю выпрямителей. Полупроводниковые диоды (кремний и германий) были компактными, потому что они могли выдерживать токи в 1000 раз выше, чем металлические выпрямители. Кремниевые диоды имели гораздо лучшие температурные характеристики (175 ˚C) по сравнению с германиевыми (65 ˚C). Проблемы, связанные с получением кристаллов кремния хорошего качества, задерживали его эксплуатацию. Монокристаллические полупроводники обладают преимуществами, но требуют внимания к рассеиванию тепла и защите от быстрых изменений токов и напряжений.

рис. 5. Прототип тиристорного клапана Siemens на 100 кВ, 1000 А (фото любезно предоставлено Siemens AG, Корпоративный архив Сименс, Мюнхен, Германия).

Следующим важным шагом стало появление устройств с кремниевым управлением, четырехслойной полупроводниковой структуры P-N-P-N с действительно бистабильными характеристиками. По своим свойствам он во многих отношениях превосходил силовые транзисторы. Управление могло осуществляться с помощью маломощного короткоживущего импульса. Первый кремниевый выпрямитель (SCR) был произведен в 1957 году компанией GEC в США.Он работал при 300 В, 7 А и требовал 15 мВт для управления. SCR называли многими именами; современное название тиристор - это аббревиатура от Thyr-atron и trans-istor, которая была принята в 1962 году. Это устройство имело важные характеристики: а) высокоомное состояние блокировки высокого напряжения в прямом и обратном состояниях, б) а низкое сопротивление, низковольтное состояние проводимости, c) способность оставаться в проводимости после приложения триггерного импульса до тех пор, пока ток не упадет ниже уровня удержания, и d) ток проводился в обоих направлениях при отказе.

Тиристор объединил преобразование и управление в одно устройство, что привело к значительной экономии места и веса, а также повышению эффективности. Как и в случае ртутно-дугового клапана, тиристор не мог отключаться управляющим импульсом. Однако он имел низкое прямое падение напряжения, что делало его пригодным для низковольтных выпрямителей, и в 1962 году он начал заменять ртутно-дуговые выпрямители. Когда тиристоры начали вытеснять ртутно-дуговые преобразователи, производители во всем мире столкнулись с наиболее затруднительной ситуацией. вложив большие суммы в разработку сложных ртутно-дуговых преобразователей с сетевым управлением.

Возник вопрос, могут ли тиристоры заменить ртутно-дуговые клапаны для ВН постоянного тока. Технологический разрыв между низковольтными промышленными приложениями (несколько киловольт) и приложениями высокого напряжения постоянного тока (сотни киловольт) тиристоров был огромен. Для изготовления шестипульсного моста на 150 кВ, номиналом 1800 А, стандартного номинала ртутно-дугового моста в то время, требовалась большая матрица последовательно-параллельных тиристоров с точно подобранными параметрами, где каждый тиристор должен был быть закрытым, охлажденным и защищенным.Были проблемы, связанные с срабатыванием последовательно соединенных тиристоров и разделением напряжения в установившихся и переходных режимах. Потери, связанные с тиристорным вентилем, были на 50–100% выше, чем у ртутно-дуговых вентилей. Чтобы снизить потери и стоимость клапана, необходимо было уменьшить количество тиристоров в клапане.

Достижения в процессе производства тиристоров улучшили характеристики тиристоров и обеспечили быстрый рост рейтинга устройств в 1960-х годах. К концу 1960-х тиристоры с блокирующей способностью 1.Были разработаны 6 кВ и номинальный ток 900 А, эквивалентный току треханодного ртутно-дугового клапана. Это сделало твердотельные технологии экономичным предложением для приложений высокого напряжения постоянного тока с напряжением до 50 кВ на клапан, выше которого тиристоры все еще уступают ртутно-дуговым клапанам из-за более высоких потерь.

рисунок 6. Преобразователь с тиристорным вентилем GEC на 20 кВ, 36 МВт (фото любезно предоставлено IEEE).

Различные производители по всему миру начали разрабатывать тиристорные клапаны высокого напряжения, и в разных странах прошли испытания более трех крупных прототипов клапанов.В 1963 году была сформирована рабочая группа по передаче высокого напряжения постоянного тока (HVDCT), состоящая из компаний AEG, BBC и Siemens, чтобы изучить возможность последовательного соединения небольших ртутно-дуговых вентилей, которая пришла к выводу, что будущие преобразователи HVdc должны основываться на тиристорной технологии. Последовательное соединение ртутно-дуговых клапанов меньшего размера также исследовалось в середине 1960-х годов в Великобритании; были серьезные недостатки из-за увеличения падений напряжения и дополнительных требований к схемам градуировки. Следовательно, два члена рабочей группы HVDCT, Siemens и BBC, сконструировали отдельно два мощных прототипа тиристорных клапана на номинальные значения 100 кВ, 1000 А и 100 кВ, 800 А, соответственно, в 1967 году.Эти клапаны были протестированы вместе на синтетической испытательной установке в Мангейме-Райнау (Германия) для более высокого номинала моста 120 кВ, 900 А. Клапан BBC имел воздушное охлаждение и состоял из 192 последовательно соединенных уровней, и каждый уровень имел два тиристора. в параллели. Клапан Siemens был законодателем мод в том смысле, что он использовал принудительное охлаждение масла и модульную конструкцию. Он состоял из 180 последовательно соединенных тиристоров дискового типа (см. Рисунок 5).

рисунок 7. Один прототип тиристорного клапана для трехфазного мостового преобразователя GEC 220 кВ, 360 МВт (из Proc.Американская энергетическая конференция, 1967, т. 29, стр. 995).

Испытания прототипа увенчались таким успехом, что в 1969 году консорциум Siemens, BBC и AEG получил контракт на первый проект передачи высокого напряжения постоянного тока на большие расстояния на базе тиристорного клапана (Кабора – Басса). В испытательных центрах можно было только проанализировать, как клапан будет вести себя по отношению к действующим напряжениям. Однако реальное подтверждение можно было удовлетворительно получить в установках, где были представлены другие компоненты системы.В 1967 году компания GEC (США) успешно испытала прототип тиристорного преобразователя на 20 кВ, 36 МВт в схеме «спина к спине», тем самым продемонстрировав возможность создания тиристорного клапана (см. Рис. 6). Впоследствии компания GEC изготовила один прототип клапана на 200 кВ, 360 МВт для трехфазных мостовых преобразователей (см. Рис. 7) в 1967 году, что подготовило почву для ввода в эксплуатацию первого проекта высокого напряжения постоянного тока на основе тиристорных клапанов.

Испытания экспериментальных тиристорных вентилей в действующем проекте HVdc были впервые проведены ASEA в Швеции в 1967 году.Он заменил один из существующих ртутно-дуговых клапанов (50 кВ, 220 А) на инверторной станции Ygne на линии Готланд (см. Рисунок 8). Для клапана использовались две параллельные сборки по 56 тиристоров, каждый тиристор был рассчитан на 2,8 кВ. Она проработала примерно два года без каких-либо нарушений, пока не была демонтирована в феврале 1969 года. Полученный опыт эксплуатации был использован для увеличения номинальной мощности линии Готландской линии с 20 до 30 МВт за счет добавления твердотельного моста в 1970 году.

Общие требования к разным конструкциям клапанов, разработанные различными производителями по всему миру, составляли

  • серия, параллельное соединение тиристоров
  • схема делителя тока
  • резистивный и комбинация емкостного резистивного делителя напряжения
  • Последовательный реактор с насыщением для защиты от больших пусковых токов
  • защита от перенапряжения
  • блок управления импульсами
  • Блок передачи сигнала для импульса стрельбы
  • Вспомогательный источник питания для привода ворот
  • контур охлаждения.

рис. 8. Тиристорный испытательный клапан ASEA (фото любезно предоставлено IEEE).

После почти десятилетней разработки, в 1972 году компания GEC сдала в эксплуатацию первый проект высоковольтного постоянного тока на основе твердотельных вентилей Eel River (320 МВт) в Канаде. До этого во всем мире было введено в эксплуатацию девять проектов высоковольтного постоянного тока, основанных на технологии ртутно-дуговых клапанов, и их доступность, согласно отчетам, составляла 83% в 1971 году. С внедрением технологии твердотельных клапанов доступность оборудования резко возросла до 98%. .Это было подтверждением успешной разработки твердотельного клапана, и была только одна новая установка ртутно-дугового клапана после Eel River (см. Таблицу 1). С тех пор количество систем передачи постоянного тока неуклонно растет из-за простой конструкции тиристоров, предсказуемых характеристик, меньших затрат на техническое обслуживание и меньшей площади. Пространство, необходимое для ртутно-дуговых преобразователей, составляло около 3,5 м 2 / МВт по сравнению с 1 м 2 / МВт для преобразователей с тиристорным вентилем аналогичного номинала.Клапанный зал для инвертора Волгоград-Донбасс имел длину 722 фута (220 м). Основное преимущество тиристорного клапана состоит в том, что он состоит из ряда инкрементальных клапанов. При правильной конструкции любые частичные отказы клапана не ухудшают его работу. Это обеспечило большую гибкость при выборе номинала моста и, таким образом, позволило оптимизировать линии высокого напряжения постоянного тока с точки зрения линии и системы.

Множество новых конструкторских новшеств улучшили допустимую мощность тиристоров.Конструкция тиристора с прессовой упаковкой / плоской упаковкой / хоккейной шайбой позволяла охлаждение с двух сторон, что почти вдвое увеличивало возможности устройства. Более важным преимуществом плоского корпуса была легкость использования модульного клапана с многоуровневой решеткой (см. Рис. 9). Возможности тиристоров были ограничены использованием принудительного воздушного охлаждения, которое также было очень шумным. За счет использования масла в качестве охлаждающей и изолирующей среды было улучшено охлаждение клапана, что привело к компактной конструкции первого клапана мертвого резервуара для наружного применения на линии Кабора (ныне Кахора) -Басса между Мозамбиком и Южной Африкой в ​​1975 году (см. Рисунок 10).Опасный характер нефти и рост паразитных емкостей привели к прекращению ее использования в будущем. Технология, разработанная для водяного охлаждения ртутно-дугового клапана, помогла в применении к тиристорному клапану. Это в несколько раз улучшило эффективность охлаждения и возможности устройства. Впервые он был использован в проекте Nelson River II в Канаде в 1978 году.

рис. 9. Тиристорный вентильный модуль, станция высокого напряжения постоянного тока Acaray, Парагвай (фото любезно предоставлено Siemens AG, Корпоративный архив Siemens, Мюнхен, Германия).

Размер преобразователя

HVdc определяется тысячами тиристоров, используемых в вентилях преобразователя, и напрямую влияет на экономику. Eel River имеет 200 (4 × 50) тиристоров для каждого клапана с номиналом 40 кВ, 2000 А. Следовательно, было необходимо улучшить коммутируемую мощность тиристоров. Изменения поперечного удельного сопротивления кремниевых пластин не позволят полностью использовать его потенциал. Главным прорывом стало открытие процесса легирования нейтронным облучением, которое сделало кремний чрезвычайно однородным.Это открыло путь для производства тиристоров с высокими запирающими напряжениями и токами. Эта технология была впервые коммерчески использована для передачи высокого напряжения постоянного тока в 1978 году. Благодаря наличию кремниевых пластин диаметром 4,92 дюйма (125 мм) и больше, можно было легко управлять током в 4000 А.

Распределение тока затвора между пальцами по области пластины позволило быстро контролировать несколько тысяч ампер. Интересным примером является геометрия эвольвентного и встречно-штыревого затвора, используемая для тиристоров.Технология тиристорных клапанов HVdc прошла долгий путь; для клапана Eel River потребуется менее 20 тиристоров вместо 200, использовавшихся в 1972 году. В эксплуатации находятся тиристоры с номинальным напряжением до 9 кВ, и были разработаны тиристоры с блокирующей способностью 12 кВ. Пропускная способность тиристорного моста преобразователя (шестиимпульсный) значительно выросла; он достиг 750 МВт по сравнению с 80 МВт в 1972 году, что примерно в три раза больше, чем то, с чем раньше мог справиться мост с ртутно-дуговым клапаном (см. Таблицу 1).

рис. 10. Тиристорный клапан с мертвым баком для установки вне помещений, связь Cabora-Bassa HVdc; из брошюры BBC CH-A-023 880 E (фото любезно предоставлено ABB Asea Brown Boveri Ltd., Цюрих, Швейцария).

Заключение

Клапан, который периодически блокирует и пропускает ток, поистине является сердцем HVdc. Существовали сложные факторы, связанные с ртутно-дуговыми клапанами, которые не позволяли точно предсказать их работу, тогда как характеристики тиристорных клапанов можно предсказать с поразительной точностью.Достижения в области твердотельных клапанов сделали HVdc более конкурентоспособным с экономической точки зрения. Как следствие, вводится в эксплуатацию все больше и больше линий постоянного тока, и многие другие линии планируются по всему миру. Существует постоянная потребность в улучшении тиристорного клапана. Это требует тиристоров большей емкости, меньших потерь, меньших затрат на техническое обслуживание и более высокой надежности. Использование силовой электроники в энергосистемах значительно увеличивается с увеличением возможностей тиристоров. В будущем комбинации переменного и постоянного тока позволят наиболее эффективно использовать возобновляемые источники энергии без ущерба для окружающей среды.Кремний - лучшая среда для преобразования электроэнергии в пригодную для использования форму. Он необычайно стабилен и имеет долгий срок службы при правильной обработке и использовании.

Для дальнейшего чтения

Дж. Д. Макколл, «AC / DC: взгляд одного человека», Proc. Inst. Elec. Электрон., Т. 131, пт. А, нет. l, pp. 38–43, Jan.1984.

Т. Вольперт, «Развитие технологии выпрямителей за последние тридцать лет», в Proc. 9-е межд. Телекоммуникационная энергетическая конф. (INTELEC’87), Стокгольм, Швеция, стр.40–47, 1987.

У. Ламм, “Ртутно-дуговые клапаны для высокого напряжения постоянного тока. трансмиссия », Тр. Inst. Elec. Электрон., Т. 111, нет. 10. С. 1747–1753, октябрь 1964.

Х. П. Липс, «Технологические тенденции для тиристорных вентилей высокого напряжения постоянного тока», в Proc. Int. Конф. Технология энергосистем (POWERCON), 1998, стр. 451–455.

А.М. Некрасов, А.В. Поссе, «Работа, проделанная в Советском Союзе по высоковольтной передаче электроэнергии постоянного тока на большие расстояния», AIEE Trans. Силовой аппарат Syst., Pt. III, т. 78, стр.515–521, август 1959 г.

Х. Мартенсон, «История передачи постоянного тока высокого напряжения», IEEE Power Eng. Rev., т. 4, вып. 7. С. 16–17, июль 1984 г.

К. Г. Дьюи, Ф. Дж. Эллерт, Т. Х. Ли и К. Х. Титус, «Разработка экспериментальных твердотельных преобразователей на 20 кВ, 36 МВт для систем HVDC», IEEE Trans. Мощность. Приложение. Syst., Т. 87, нет. 4, pp. 1058–1066, April 1968.

С. М. Зе, «Развитие полупроводниковых устройств в 1970-х и 1980-х годах - перспектива», Proc. IEEE, т. 69, нет.9. С. 1121–1131, сентябрь 1981 г.

А. Экстром и Л. Эклунд, «Разработка тиристорного клапана постоянного тока высокого напряжения», IEEE Trans. Power Electron., Т. 2, вып. 3. С. 177–185, июль 1987.

.

Х. Стомберг, Б. Абрахамссон и О. Саксвик, «Современные тиристорные вентили HVDC», Proc. ICEE 1996, Пекин, Китай, стр. 606–610.

Х. Ивамото, Т. Накагава, Ф. Токуно, А. Тада, Ю. Ямагути, М. Ямамото и К. Сато, «Тиристор 12 кВ, 1000 А», в Proc. Int. Symp. Power Semiconductor Devices & ICs, Токио, Япония, 1990, стр.283–288.

М. Хоффман и К. П. Леовальд, «Тиристорный вентиль для пикового напряжения блокировки 120 кВ», Siemens Rev., vol. 35, нет. 11. С. 423–426, 1968.

.

Э. Анвандер и П. Эттер, «Клапан тиристорного преобразователя для напряжения моста постоянного тока 100 кВ», Brown Boveri Rev., vol. 56, нет. 2. С. 79–88, 1969.

Назначение трехфазного выпрямителя и силовой электроники

- Документ

Задача 6: Повышающий преобразователь, показанный на соседнем фигура имеет входное напряжение от 20 до 40 В и питает фиксированную нагрузку 1 кВт при 100 В постоянного тока.Во время работы в CCM ток индуктора пульсация должна поддерживаться в пределах ± 25% при всех условия входного напряжения.

5. Определите минимальную частоту коммутации для показанных значений компонентов. 6. Также определите пульсации выходного напряжения при частоте переключения 50 кГц и Vin = 40V. 7. Если частота переключения снижается до 30 кГц, определите минимальное значение для 10 theH

индуктивность, которая будет поддерживать преобразователь в CCM при той же нагрузке и входном напряжении. условия.

Задача 7: Вход в однофазный мост выпрямитель, показанный на прилагаемом рисунке, является 100 cos (314 t ), что соответствует 50 Гц. Выход подключается к фиксированному постоянному току. источник тока Io .

а. Выведите уравнение для среднего выходного напряжения Vo = ‹ vo ( t )› как функцию задержки срабатывания. угол ‘’ тиристоров.

г. Постройте график запускающих импульсов для T1, T2 и T3 относительно входного синусоидального напряжения.c. Постройте график выходного напряжения vo ( t ) для угла задержки срабатывания  = 45o. d. Постройте график напряжения на тиристоре T1 для условий в «c» выше. е. Какое максимальное напряжение видит любой из тиристоров? f. Постройте график тока через тиристор T1 для условий в «c» выше. грамм. Определите средний ток в тиристоре Т1. час Какой максимальный ток испытывает любой из тиристоров? я. Определите мощность, потребляемую от источника переменного тока, если Io = 10A.

Определите входной коэффициент мощности для условий в «c» выше.

Задача 8: Однофазный полномостовой ШИМ-инвертор с источником напряжения, показанный на рисунке, используется для производят синусоидальное напряжение в ИБП. Фильтр нижних частот L-C используется на выходе для фильтрации нежелательные гармоники и, следовательно, производят чистое напряжение 50 Гц. Частота коммутации 20 кГц.

а. Постройте приблизительную гармонику спектр выходного напряжения инвертора

г.Учитывая L = 1 мГн, выберите «C», чтобы уменьшить коммутируемые гармоники на выходе напряжение не менее 60 дБ.

г. Дайте одно преимущество и одно

220 мкФ

S2

S1

300 В

S4

S3

1 мГн

К

vo

docsity.com

EE 330 Осень 2016 г.

EE 330 Осень 2016 г.

Инструктор: Рэнди Гейгер Цветок или трава?


Что это?

Инструктор: Проф.Рэнди Гейгер

Программа, политика и цели обучения

Ежедневное расписание (ориентировочно),

Лабораторная политика и лабораторные отчеты

Карта страницы

| Конспект лекций | | Избранные потоки | Домашние задания | Экзамены | Раздаточные материалы лаборатории | Справочные материалы | Дополнительная литература |


  • неделя 01 Лекция 1, Лекция 2, Лекция 3
  • 2 неделя Лекция 4, Лекция 5, Лекция 6
  • Неделя 03 Лекция 7, Лекция 8, Лекция 9
  • 4 неделя Лекция 10, Лекция 11, Лекция 12
  • 5 неделя Лекция 13, Лекция 14, Экзамен 1
  • 06 неделя Лекция 16, Лекция 17, Лекция 18
  • 7 неделя Лекция 19, Лекция 20, Лекция 21
  • неделя 08, лекция 22 , Лекция 23, Зачет 2
  • Неделя 09, лекция 25 , Лекция 26, Лекция 27
  • Неделя 10 Лекция 28 , Лекция 29, Лекция 30
  • Дополнительные лекции по тиристорам (не обязательно) Лекция 31 , Лекция 32,
  • Неделя 11, Лекция 33 , Лекция 34, Лекция 35
  • Неделя 12, Лекция 36 , Лекция 37 , Экзамен 3
  • неделя 13, лекция 39 , Лекция 40, Лекция 41.
  • Неделя 14 Лекция 42 , Лекция 43, Лекция 44.
  • неделя 01 ( Лекция 1, Лекция 2, Лекция 3
  • неделя 02 ( Праздничный день, Лекция 4, Лекция 5.
  • неделя 03 ( Лекция 6, Лекция 7, Лекция 8
  • 4 неделя ( Лекция 9, Лекция 10, Лекция 11
  • неделя 05 ( Лекция 12, Лекция 13, Экзамен 1
  • 06 неделя ( Лекция 15, Лекция 16, Лекция 17.
  • 7 неделя ( Лекция 18, Лекция 19, Лекция 20
  • 8 неделя ( Лекция 21, Лекция 22, Лекция 23
  • 9 неделя ( Лекция 24, Лекция 25, Экзамен 2
  • 10 неделя ( Лекция 27, Лекция 28, Лекция 29
  • Неделя 11 ( Лекция 30, Лекция 31, Лекция 32
  • неделя 12 ( Лекция 33, Лекция 34, Лекция 35
  • Неделя 13 ( Экзамен 3, Лекция 37, Лекция 38.
  • неделя 14 ( Лекция 39, Лекция 40, Лекция 41.
  • Неделя 15 ( Лекция 42, Лекция 43. , Лекция 44.

  • Домашнее задание 1: Назначение,
  • Домашнее задание 2: Назначение,
  • Домашнее задание 3: Назначение,
  • Домашнее задание 4: Назначение,
  • Домашнее задание 5: Назначение,
  • Домашнее задание 6: Назначение,
  • Домашнее задание 7: Назначение,
  • Домашнее задание 8: Назначение,
  • Домашнее задание 9: Назначение,
  • Домашнее задание 10: Задание,
  • Домашнее задание 11: Задание,
  • Домашнее задание 12: Задание,
  • Домашнее задание 13: Задание,
  • Домашнее задание 14: Задание,

  • Неделя 1 Поток 1, Поток 2, Поток 3
  • Неделя 2 Поток 4, Поток 5, Поток 6
  • Неделя 3 Поток 7, Поток 8, Поток 9
  • 4 неделя Поток 10, Поток 11, Поток 12
  • Неделя 5 Поток 13, Поток 14, Экзамен 1, без трансляции
  • 6 неделя Поток 16, Поток 17, Поток 18
  • 7 неделя Поток 19, Поток 20, Поток 21
  • 8 неделя Поток 22, Поток 23, Экзамен 2 Нет трансляции
  • 9 неделя Поток 25, Поток 26, Поток 27
  • Неделя 10, поток 28, Поток 29, Поток 30
  • Дополнительные пары на тиристорах (не требуются) Поток 31, Поток 32,
  • 11 неделя Поток 33, Поток 34, Поток 35,
  • 12 неделя Поток 36, Поток 37, Экзамен 3, без трансляции
  • 13 неделя Поток 39, Поток 40, Стрим 41
  • 14 неделя Поток 42, Поток 43, Поток 43
  • Неделя 1 ( Поток 1, Поток 2, Поток 3
  • Неделя 2 ( Праздничный день, Поток 4, Поток 5
  • Неделя 3 ( Поток 6, Поток 7, Поток 8
  • Неделя 4 ( Поток 9, Поток 10, Поток 11
  • Неделя 5 ( Поток 12, Поток 13, Экзамен 1 Нет трансляции
  • Неделя 6 ( Поток 15, Поток 16 , Поток 17
  • 7 неделя ( Поток 18, Поток 19 Поток 20
  • Неделя 8 ( Поток 21, Поток 22, Поток 23
  • 9 неделя ( Поток 24, Поток 25, Экзамен 2 Нет трансляции
  • 10 неделя ( Поток 27, Поток 28, Стрим 29
  • Неделя 11 ( Поток 30, Поток 31 Поток 32
  • неделя 12 ( Поток 33 Поток 34 Стрим 35
  • Неделя 13 ( Экзамен 3 Нет трансляции Стрим 37 Стрим 38
  • неделя 14 ( Стрим 39 Поток 40 Стрим 41
  • Неделя 15 ( Стрим 42 Поток 43 Транслировать 44 год

Экзамены текущего семестра

EE 330 Экзамены за предыдущий семестр


Инструкции по прикреплению рамы пэда к библиотеке Cadence

Pad Frame ячейка для ON 0.5u процесс

Pad Frame Cell для TSMC 180 нм техпроцесса

Детали и схемы рамы площадки моделирование

Дополнительные примечания к рамке пэда от профессора Реда

Инструкции по запуску пост-верстки моделирование

Частичное руководство по анализатору параметров B1500

Сигнал Экспресс Информация

Компоненты комплекта запчастей EE201 Компоненты комплекта запчастей EE230

Таблица проектирования ОУ с внешней компенсацией

RTL Tar-файл для ON 0.5 Proc Standard Cell Library ON 0.5u Файл Proc -TAR

Файл RTL Tar для TSMC 0.18 Proc Стандартная библиотека ячеек TSMC 0.18u Proc -TAR файл


Немного материалов для финального проекта




Углы задержки в однофазных, полуволновых и полнополупериодных схемах управляемого выпрямителя

Углы задержки в однофазных, полупериодных и полнополупериодных схемах управляемого выпрямителя

Привет, мое задание силовой электроники - обеспечить угол зажигания 30 градусов в схеме однофазного полуволнового управляемого выпрямителя с нагрузкой RL в Orcad (имеющей только один тиристор '2N1595').

и тот же угол зажигания 30 градусов в однофазной полноволновой схеме управляемого мостового выпрямителя с нагрузкой RL в Orcad (с 4 тиристорами «2N1595»).

Я должен задать задержку с помощью VPULSE !! Но я ничего не знаю об источнике VPULSE в Orcad. Может ли кто-нибудь сказать мне, как я могу установить требуемый угол зажигания с помощью источника VPULSE в orcad для тиристора '2N1595' в однофазной полуволновой и двухполупериодной цепи управляемого выпрямителя в orcad ?! Я никогда не работал с тиристорами или VPULSE в комбинации в Orcad.

У меня проблемы с настройкой Vpulse для углов стрельбы, любая помощь приветствуется! . Я использую источник Vsine в Orcad, у которого VAMP = 220 В и частота = 50 Гц. Напряжение Vrms синусоидального источника (Vsine) равно 115 В. Я также могу использовать «Схема управления фазой», но я ничего не знаю о схеме управления фазой в Orcad. Я использую Orcad версии

«16.6-2015 ЛАЙТ». Значение нагрузки RL в обеих цепях (полуволна и полная волна: резистор = 220 Ом, индуктор = 0.8 H). Резистор и индуктор последовательно соединены друг с другом.

Может ли кто-нибудь сказать мне, какие значения я должен назначить ПАРАМЕТРАМ источника VPULSE в Orcad, чтобы получить требуемый угол зажигания 30 градусов для тиристора '2N1595' как в полуволновой, так и в полнополупериодной схеме выпрямителя. Может ли кто-нибудь любезно объяснить параметры источника VPULSE и сообщить мне требуемые значения параметров источника VPULSE

С расчетами на угол зажигания 30 градусов для тиристора «2Н1595».Потому что; Я ничего не знаю об источнике VPULSE и его параметрах, и я также ничего не знаю о том, как установить угол стрельбы с помощью источника VPUSLE !! Если кто-нибудь может дать мне расчеты или значения различных параметров источника VPULSE для угла стрельбы 30 градусов, я был бы очень признателен !! Также необходимо объяснение параметров источника VPULSE. Я новичок в Orcad и не использовал его для комбинации тирситоров и источника VPULSE для генерации углов зажигания для тиристоров.Помощь будет очень признательна !!!

Национальный фондовый номер NSN 5961-01-623-0420, 5961016230420

Национальный фондовый номер 5961-01-623-0420

Национальный складской номер

(NSN) 5961-01-623-0420 или NIIN 016230420 (полупроводниковый прибор, тиристор) был присвоен 30 октября 2013 года в Федеральной логистической информационной системе (FLIS).Этот NIIN доступен для ручного назначения. Этот NSN не заменяет другие NSN.

С этим NSN связан только один номер детали производителя. Ни один из связанных номеров деталей не считается устаревшим. Номера деталей производителя изначально были предоставлены одним поставщиком. Сегодня один поставщик указан как активный поставщик для этого NSN. Из активных поставщиков только один поставщик считается контролируемым по конструкции или действующим поставщиком запчастей.

Этот номер детали не закупался правительством США более 5 лет.

Этому NSN присвоен код наименования изделия (INC) 33096. [БИСТАБИЛЬНОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО, СОСТАВЛЯЮЩЕЕ ТРИ ИЛИ БОЛЕЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ, КОТОРОЕ ЯВЛЯЕТСЯ ОБЫЧНЫМ НЕПРОВОДНИКОМ ДО ПОДАЧИ СИГНАЛА НА ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ВОРОТ, КОТОРАЯ ПОДКЛЮЧАЕТ УСТРОЙСТВО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. ВКЛЮЧАЕТ УСТРОЙСТВА, КОТОРЫЕ МОГУТ БЫТЬ ПЕРЕКЛЮЧЕНЫ НАЗАД В НЕПРОВОДИТЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИ ПОДАЧЕ ДРУГОГО СИГНАЛА НА ОДИН ИЛИ ДРУГОЙ ТЕРМИНАЛ GATE. МОЖЕТ ИЛИ НЕ ВКЛЮЧАТЬ МОНТАЖНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И / ИЛИ НАГРЕВАТЕЛЬ. ДЛЯ ТВЕРДЫХ УСТРОЙСТВ, ЧУВСТВУЮЩИХ В ВИДИМОЙ ИЛИ ИНФРАКРАСНОЙ ИЗЛУЧЕННОЙ ЭНЕРГИИ, СМОТРИТЕ ПОЛУПРОВОДНИК, ФОТО.]. Этот элемент не имеет функции ядерной защиты или какой-либо другой критической функции, такой как допуск, ограничение посадки или применение. В HMIRS нет данных, а NSN входит в FSC, который, как правило, не подозревается в содержании опасных материалов. NSN 5961016230420 не содержит драгоценных металлов.

Этот NSN связан с Приложением B 8541300080: тиристоры, диоды и симисторы, кроме светочувствительных устройств, прочие. Конечное использование Приложения B указано как полупроводники. Классификационная категория НАИКС 334413: производство полупроводников и связанных с ними устройств.

Последний раз эта информация обновлялась 01 марта 2021 г.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *