Тиристоры что это: характеристики, параметры, принцип работы, виды и назначение тиристоров

Содержание

тиристор — это… Что такое тиристор?

полупроводниковый прибор на монокристалле с многослойной структурой (типа p – n – p – n) с тремя или более электронно-дырочными переходами; обладает свойствами управляемого электрического вентиля. Обычно тиристор имеет три вывода: два из них (катод и анод) контактируют с крайними областями монокристалла, а третий (управляющий) электрод – с одной из промежуточных областей. Такой управляемый тиристор называют триодным или тринистором, в отличие от неуправляемого, имеющего два вывода (катод и анод) и называемого динистором.

Схематическое изображение тиристора

Тринистор представляет собой пластинку кремниевого полупроводника с четырьмя чередующимися слоями различной электропроводности, образующими три p – n- перехода. Крайний слой пластинки с дырочной электропроводностью р – типа служит анодом, а другой крайний, имеющий электронную проводимость n – типа, служит катодом. При подаче на управляющий электрод кратковременного импульса напряжения тринистор открывается, и через него может пройти ток от источника питания (электрической сети) к нагрузке (напр., к электродвигателю). Для приведения тринистора в закрытое, непроводящее состояние размыкают электрическую цепь, в которую он включён.

В зависимости от назначения и принципа действия тиристоры делятся на запираемые (включаемые по цепи управляющего электрода), быстродействующие, импульсные, фототиристоры и др. Выпускаются на токи от 1 мА до 10 кА и напряжения от нескольких вольт до нескольких киловольт. Тиристоры компактны, надёжны, имеют большой срок службы, малую инерционность. Применяются в силовых устройствах преобразовательной техники, тиристорном электроприводе, генераторах мощных импульсов, в линиях передачи электроэнергии постоянного тока и в системах автоматического управления. Тиристоры в основном вытеснили электромагнитные реле с механически замыкаемыми контактами, электровакуумные, газоразрядные и ртутные вентили. Основные конструкции тиристоров – штыревая и таблеточная.

Внешний вид тиристора штыревой конструкции

Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн. 2006.

6.5.      Симметричные тиристоры (симисторы) | Электротехника

Симметричный диодный тиристор (диак) – это диодный тиристор, способный переключаться как в прямом, так и в обратном направлениях.

Симметричный триодный тиристор (триак) – это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях.

Симметричный диодный тиристор состоит из пяти областей с чередующимся типом электропроводности, которые образуют четыре pn-перехода (рис. 6.10). Крайние переходы зашунтированы объемными сопротивлениями приле­гающих областей с электропроводностью p-типа.

Если на такой тиристор подать напряжение положительным потенциалом на область п1 и отрицательным потенциалом на область

п3,, то pn-переход 1 окажется смещенным в обратном направлении, и ток, проходящий через него, будет пренебре­жимо мал. Весь ток через тиристор при такой полярности при­ложенного напряжения будет проходить по шунтирующему со­противлению области р1 .

Четвертый pn-переход будет смещен в прямом направлении, и через него будет происходить инжекция электронов. При выбранной полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру р-п-р-п, в которой могут происходить те же процессы, что и в обычном диодном тиристоре, приводящие к переключению его из закры­того состояния в открытое и обратно.

При перемене полярности внешнего напряжения четвертый pn-переход окажется смещенным в обратном направлении и, обладая поэтому большим сопротивлением, будет зашунтирован малым сопротивлением области р2. Следовательно, при такой полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру

п-р-п-р, способную переключаться из закрытого состояния в открытое и обратно.

Таким образом, симметричный диодный тиристор можно представить в виде двух диодных тиристоров, включенных встречно и шунтирующих друг друга при разных

полярностях приложенного напряжения. Вольт-амперная характеристика тако­го тиристора получается симметричной относительно начала координат (рис. 6.11, а).

Симметричные триодные тиристоры могут иметь структуру, способную переключаться из закрытого в открытое состояние либо при токе управляющего электрода определенного направления, либо при токе управляющего электрода любого на­правления (рис.6.12). В последнем случае не только основные электроды должны обеспечить шунтирование прилегающих к ним крайних pn-переходов, но и управля­ющий электрод должен иметь омический переход как с                

р-областью, так и с допол­нительной n-областью. Тогда подача различных по знаку потенциалов на управляющий электрод по отношению к расположенному вблизи основному электроду будет либо изменять потен­циал р-области, либо обеспечивать инжекцию электронов из дополнительной n— области.

5.2.    Диодные тиристоры (динисторы) | Электротехника

Диодный тиристор (рис. 5.1) – это тиристор, который имеет два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления. Основой наиболее простого из семейств тиристоров является четырехслойная полупроводниковая структура р-n-р-n-типа (рис. 5.2). Крайние области структуры называются эмиттерами, а центральные – базами. Электрод, присоединенный к р-эмиттеру, называют анодом (А), а электрод, присоединенный к n-эмиттеру – катодом (К). Базы тиристора отличаются толщиной и концентрацией примесных атомов.

При подаче на тиристор прямого напряжения т.е. положительного потенциала на анод, крайние р-n-переходы смещены в прямом направлении, средний переход смещен в обратном направлении. Большая часть прямого внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещён в обратном направлении, поэтому первый участок ВАХ тиристора (рис. 5.3) похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. С увеличением анодного напряжения, увеличивается прямое напряжение, и на эмиттерных переходах электроны, инжектированные из n-эмиттера в р-базу диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются его полем и попадают в n-базу.

Дальнейшему продвижению электронов препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода, поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной n-яме, образуют избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в n-базу.

Инжектированные из р-эмиттера дырки подхватываются полем коллекторного перехода и переходят в р-базу. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер левого эмиттерного перехода, т.е. в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току, т.е. увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Накопление зарядов в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить этот переход в прямом направлении, т.е. суммарное напряжение на коллекторном переходе будет

уменьшаться. При Ua= Uвкл внутренняя положительная обратная связь вызывает лавинообразный процесс инжекции носителей заряда из эмиттеров, и коллекторный переход (КП) оказывается смещенным в прямом направлении. Сопротивление динистора уменьшается, а ток скачком увеличивается. При этом падение напряжения на динисторе резко уменьшается.

Таким образом, при подаче прямого напряжения на тиристор он может находится в двух состояниях: открытом и закрытом.

Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. Участок 1 (см. рис. 5.3) от значения U = 0 до напряжения включения U = Uвкл  соответствует малым токам, т.е. за­крытому состоянию тиристора. В пределах этого участка дифференциальное сопротивление тиристора rдиф = dU / dI положи­тельно. В пределах участка 2 – 3 значение дифференциального сопротивления rдиф отрицательно. Увеличение тока вызывает умень­шение напряжения, что приводит к дальнейшему увеличению тока и т.д. Режим, соответствующий этому участку вольт-амперной ха­рактеристики, неустойчив.

Тиристор спонтанно переходит на участок 3 – 4 вольт-амперной характеристики, соответствующий откры­тому состоянию, при котором дифференциальное сопротивление вновь становится положительным. Этот участок имеет вид, аналогичный прямой ветви характеристики обычного диода.

Открытое состояние соответствует участку 3 – 4 (см. рис. 5.3). В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счёт проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах. Если ток уменьшить до некоторого значения, меньше удерживающего тока (Iуд), то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество носителей в базах, коллекторный переход сместиться в обратном направлении, т
иристор закроется. Таким образом, Iуд – это минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Структуру тиристора можно представить в виде двух транзисторов (рис. 5.4). Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи:

,

где α

1, α2  – статические коэффициенты передачи тока транзисторов;   –  это токи через 1-й, 2-й, 3-й р-n-переходы соответственно;  –  обратный ток коллекторного перехода, общий для обоих транзисторов.

Для двухэлектродной структуры (динистора) из-за необходимости выполнения баланса токов токи через все переходы должны быть равны между собой:

,

где Iа –  ток через тиристор (анодный ток).

Тогда анодный ток через тиристор можно будет найти по выражению:

,

где α∑  = α1 + α2.

Последнее выражение представляет собой уравнение ВАХ динистора в закрытом состоянии. Статические коэффициенты передачи тока транзисторов увеличиваются с увеличением эмиттерного тока (рис. 5.5).

При достижении суммарным статическим коэффициентом значения, равного единице ( α = 1), анодный ток через тиристор устремляется в бесконечность, т.е. происходит включение динистора. Поэтому в процессе переключения ток через динистор должен быть ограничен сопротивлением нагрузки. При обратном напряжении на тиристоре, т.е. при отрицательном потенциале на аноде, эмиттерные переходы смещены в обратном направлении, коллекторные в прямом, в этом случая условий для переключения тиристора нет.

Тиристоры — Dynex | МикроЭМ

Тиристоры (SCR — silicone controlled rectifier) — это полупроводниковые приборы с тремя p-n переходами, имеющие нелинейную ВАХ с участком обратного дифференциального сопротивления. Тиристор может находится в одном из двух состояний: закрытое (низкая проводимость) и открытое (высокая проводимость). В закрытом состоянии прибор находится при напряжении ниже напряжения открытия и токе ниже тока удержания, сопротивление велико и ток между анодом и катодом очень мал. В открытом состоянии тиристор имеет малое сопротивление, что способствует увеличению тока. Чтобы перевести прибор из закрытого состояния в открытое, нужно подать напряжение выше нпряжения включения (при условии, что протекаемый ток будет выше тока удержания) или в случае управляемого тиристора подать ток на управляющий электрод, который в зависимости от величины уменьшит уровень порогового напряжения (при токе управляющего электрода равном току открытия тиристора Igt прямая ветвь ВАХ становится идентичной ВАХ диода). Для выключения тиристора следует ограничить протекающий ток  ниже уровня удержания или изменить полярность напряжения К-А.

 

 

Основные применения:
  • Мощные инверторы
  • Устройства плавного пуска
  • Регуляторы мощности
  • Возбудители обмоток электродвигателей
  • Электроприводы
  • Установки индукционного нагрева
  • Мощные переключатели
  • Сварочное оборудование
  • Высоковольтные ИП

Силовые сборки:

Dynex Semiconductor разрабатывает и производит силовые сборки для различных применений. Это могут быть и как отдельные компоненты в сборе с охладителем, так и готовые устройства, укомплектованные снабберами, платами управления, системой охлаждения и др.

Продукты:

Dynex Semiconductor производит тиристоры в прижимных корпусах (таблетка) на напряжения от 400 В до 9 кВ. Кристаллы производятся по запатентованному методу на основе ионной имплантации, что позволяет снизить потери на проводимость и термическое сопротивление, что позволяет увеличить токоотдачу.

 

до 1400 В
  VRRM/VDRM, V IT(AV) при
60°C
ITSM,A I2t, kA2s dV/dt, V/µs Non-rep
dI/dt, A/µs
Rth(j-c)

(°C/W)

DCR470T14 600-1400 470 6300 200 1000 1000 0,08
DCR780E14 600-1400 780 9100 410 1000 1000 0,041
DCR950D14 600-1400 950 12800 820 1000 1000 0,035
DCR1010G14 600-1400 1010 15000 1130 1000 1000 0,035
DCR1910F14 600-1400 1910 26000 3380 1000 1000 0,02
DCR2150X14 600-1400 2150 29000 4210 1000 1000 0,018
DCR2980C14 600-1400 2980 47000 11050 1000 1000 0,0125
DCR3710V14 600-1400 3710 60000 18000 1000 1000 0,01

 

 

до 1800 В
  VRRM/VDRM, V IT(AV) при
60°C
ITSM,A I2t, kA2s dV/dt, V/µs Non-rep
dI/dt, A/µs
Rth(j-c)

(°C/W)

DCR370T18 1200-1800 370 5000 130 1000 1000 0,08
DCR720E18 1200-1800 720 8300 340 1000 1000 0,041
DCR860D18 1200-1800 860 11500 660 1000 1000 0,035
DCR960G18 1200-1800 960 14000 980 1000 1000 0,035
DCR1710F18 1200-1800 1710 25000 3130 1000 1000 0,02
DCR1800F18 1200-1800 1800 32000 5120 1000 1000 0,02
DCR1970X18 1200-1800 1970 28000 3920 1000 1000 0,018
DCR2830C18 1200-1800 2830 45000 10130 1000 1000 0,0125
DCR3400V18 1200-1800 3400 60000 18000 1000 1000 0,01

 

до 2400 В
  VRRM/VDRM, V IT(AV) при
60°C
ITSM,A I2t, kA2s dV/dt, V/µs Non-rep
dI/dt, A/µs
Rth(j-c)

(°C/W)

DCR4440W22 1800-2200 4440 64500 20800 1000 1000 0,007
DCR5900A22 1800-2200 5900 80000 32000 1000 1000 0,0057
DCR6430M22 1800-2200 6430 80000 32000 1000 1000 0,005
DCR590E24 2000-2400 590 7800 300 1000 1000 0,041
DCR750D24 2000-2400 750 10000 500 1000 1000 0,035
DCR1700X24 2000-2400 1700 23000 2650 1000 1000 0,018
DCR2360C24 2000-2400 2360 35000 6130 1000 1000 0,0125
DCR3060V24 2000-2400 3060 45000 10130 1000 1000 0,01

 

до 3000 В
  VRRM/VDRM, V IT(AV) при
60°C
ITSM,A I2t, kA2s dV/dt, V/µs Non-rep
dI/dt, A/µs
Rth(j-c)

(°C/W)

DCR850G26 2000-2600 850 11000 610 1000 1000 0,035
DCR1560F26 2000-2600 1560 24000 2880 1000 1000 0,02
DCR7610h38 2200-2800 7610 105000 5513 1000 1000 0,004
DCR2060C28 2400-2800 2060 30000 4500 1000 1000 0,0125
DCR2760V28 2400-2800 2760 43000 9250 1000 1000 0,01
DCR5320A28 2200-2800 5320 75000 28100 1000 1000 0,057
DCR5790M28 2200-2800 5790 75000 28100 1000 1000 0,005
DCR780G30 2400-3000 780 10500 550 1000 1000 0,035
DCR1460F30 2400-3000 1460 23000 2650 1000 1000 0,02

 

до 3400 В
  VRRM/VDRM, V IT(AV) при
60°C
ITSM,A I2t, kA2s dV/dt, V/µs Non-rep
dI/dt, A/µs
Rth(j-c)

(°C/W)

DCR470E34 2400-3400 470 6300 200 1000 1000 0,041
DCR610D34 2400-3400 610 8000 320 1000 1000 0,035
DCR650G34 2400-3400 650 8400 350 1000 1000 0,035
DCR1120F34 2400-3400 1120 17000 1450 1000 1000 0,02
DCR1430X34 2400-3400 1430 19200 1840 1000 1000 0,018
DCR1970C34 2400-3400 1970 30000 4500 1000 1000 0,0125
DCR2440V34 2400-3400 2440 33000 5450 1000 1000 0,01
DCR3640W34 2400-3400 3640 54000 14580 1000 1000 0,007
DCR4720A34 2400-3400 4720 69000 23810 1000 1000 0,0057
DCR5110M34 2400-3400 5110 69000 23810 1000 1000 0,005

 

до 4200 В
  VRRM/VDRM, V IT(AV) при
60°C
ITSM,A I2t, kA2s dV/dt, V/µs Non-rep
dI/dt, A/µs
Rth(j-c)

(°C/W)

DCR780G42 3800-4200 780 10500 550 1500 400 0,0268
DCR1150N42 4000-4200 1150 16800 1410 1500 1000 0,0221
DCR1260F42 4000-4200 1260 16800 1410 1500 1000 0,0184
DCR2040L42 3500-4200 2040 29000 4200 1500 400 0,0117
DCR2150C42 3000-4200 2150 29000 4200 1500 400 0,0101
DCR2930Y42 3000-4200 2930 40600 4210 1500 400 0,00835
DCR3030V42 3000-4200 3030 40600 8240 1500 400 0,00746
DCR3790B42 3500-4200 3790 53500 14310 1500 400 0,007
DCR4100W42 3500-4200 4100 53500 14310 1500 400 0,00631
DCR4500A42 3600-4200 4500 60800 18480 2000 200 0,00603
DCR4880M42 3600-4200 4880 60800 18480 2000 400 0,00518
DCR5840h52 3600-4200 5840 83500 34860 1000 1000 0,004

 

до 5200 В
  VRRM/VDRM, V IT(AV) при
60°C
ITSM,A I2t, kA2s dV/dt, V/µs Non-rep
dI/dt, A/µs
Rth(j-c)

(°C/W)

DCR690G52 4800-5200 690 9450 450 1500 300 0,0268
DCR1020N52 4500-5200 1020 14800 1097 1500 800 0,0221
DCR1110F52 5000-5200 1110 14800 1097 1500 800 0,0184
DCR1850L52 4800-5200 1850 26250 3450 1500 300 0,0117
DCR1950C52 4800-5200 1950 26250 3450 1500 300 0,0101
DCR2630Y52 4800-5200 2630 36700 6730 1500 300 0,00835
DCR2720V52 4800-5200 2720 36700 6730 1500 300 0,00746
DCR3480B52 4800-5200 3480 49000 12000 1500 400 0,007
DCR3640W52 4800-5200 3640 49000 12000 1500 400 0,00631
DCR3990A52 4500-5200 3990 53400 14250 2000 400 0,00603
DCR4330M52 4500-5200 4330 53400 14250 2000 400 0,00518
DCR4540H52 4500-5200 4540 80000 32000 2000 1000 0,004

 

до 6500 В
  VRRM/VDRM, V IT(AV) при
60°C
ITSM,A I2t, kA2s dV/dt, V/µs Non-rep
dI/dt, A/µs
Rth(j-c)

(°C/W)

DCR490J65 5000-6500 490 6600 220 1500 200 0,0379
DCR590G65  5000-6500 590 6600 220 1500 200 0,0268
DCR820N65 5000-6500 820 12000 720 1500 500 0,0221
DCR890F65 5000-6500 890 12000 720 1500 200 0,0184
DCR1570L65 5000-6500 1570 22000 2420 1500 300 0,0117
DCR1650C65 5000-6500 1650 22000 2420 1500 300 0,0101
DCR2220Y65 5000-6500 2220 30000 4500 1500 300 0,00835
DCR2290V65 5000-6500 2290 30000 4500 1500 500 0,00746
DCR2880B65 5000-6500 2880 38500 7550 1500 300 0,007
DCR2950W65 5000-6500 2950 38500 7550 1500 300 0,00631
DCR3220A65 5000-6500 3220 44200 9250 2000 200 0,00603
DCR4420H65 5000-6500 4420 65600 21520 2000 200 0,004255
DCR4660H65 5000-6500 4660 69250 24000 2000 200 0,004255

 

до 9000 В
  VRRM/VDRM, V IT(AV) при
60°C
ITSM,A I2t, kA2s dV/dt, V/µs Non-rep
dI/dt, A/µs
Rth(j-c)

(°C/W)

DCR390J85 7000-8500 387 5250 138 1500 200 0,0379
DCR470G85 7000-8500 467 5250 138 1500 200 0,0268
DCR680N85  7000-8500 677 9800 480 1500 200 0,0221
DCR750F85 7000-8500 733 9800 480 1500 200 0,0184
DCR1300L85 7000-8500 1300 17600 1550 1500 400 0,0117
DCR1840Y85 7000-8500 1840 25000 3125 1500 300 0,00835
DCR1910V85 7000-8500 1910 25000 3125 1500 300 0,00746
DCR2400B85 7000-8500 2370 32500 5280 1500 300 0,007
DCR2450W85 7000-8500 2450 32000 5280 1500 300 0,00631
DCR2560A85 7000-8500 2560 32500 5280 1500 200 0,00603
DCR2760M85 7000-8500 2760 32500 5280 1500 200 0,00518
DCR3640H85 7000-8500 3640 54000 14580 2000 200 0,004255
DCR3980H85 7000-8500 3980 59580 17750 2000 200 0,004255

Получить техническую консультацию, запросить образцы

 

Сопутствующие товары:

Диоды Dynex

Охладители и прижимные устройства Dynex

Силовые сборки Dynex

Снабберы:

Тиристор – энциклопедия VashTehnik.ru

Тиристор – это твердотельный полупроводниковый прибор-ключ, обнаруживающий два устойчивых состояния с низкой и высокой проводимостью и содержащий четыре полупроводниковые области с разными и чередующимися типами проводимости. В зависимости от способа переключения конструкции различаются. Оригинальный тиристор представляет двойной полупроводниковый диод с управляемым электродом – в понимании разработчиов устройства.

История создания тиристора

Согласимся, определение тиристора сложное и способно вызывать непонимание. Среди разработчиков прибора бытовало мнение о возможности управляемого диода: прибора, не пропускающего обратный ток, проводящего прямой исключительно по команде. Описан классический тиристор. С односторонней проводимостью и управляемым электродом, ток которого сильно влияет на процесс переключения (перехода в открытое состояние).

Википедия отдаёт приоритет идее тиристора Вильяму Шокли. Якобы высказанной в 1950-м году. Авторы искали и нашли красочный рассказ в противовес упомянутому. В 2014 году, один из создателей тиристора Фрэнк «Билл» Гутцвиллер поделился с общественностью историей. Вопросов немало:

  1. Кто считается разработчиком.
  2. Где найти номер патента на тиристор.

Винтовой тиристор

Вопросы удивляют, ведь прибор активно вытесняет транзистор из сфер жизненного пространства. Подобные разновидности используются в качестве ключей и регуляторов в составе бытовой техники. Гутцвиллер присоединился к корпорации Дженерал Электрик в 1955 году. Тогда инженер читал лекции, считал Святым Граалем воплощение идеи управляемого выпрямителя. Подразумевался не твердотельный полупроводниковый диод, но прибор, способный контролировать пропускаемый ток в зависимости от управляющего напряжения. Представлялся как аналог:

  • Тиратрона. Обозначает группу приборов, отличие которой от электронных ламп в наличии газового наполнителя внутри трубки. В обычном случае средний электрод-сетка зажигает дугу, чтобы ток проходил на выход. В вакуумных лампах происходит обратное, где отрицательный потенциал управляющего контакта запирает путь электронам.
  • Мотора-генератора. Читателям Википедии термин непонятен, подобного в русскоязычном доме нет. Вкратце скажем – это приспособление для преобразования постоянного тока в переменный, и наоборот. Причём устройство изолирует две цепи, когда двигатель не работает. Понятие изложено в теме про сварочные инверторы.
  • Ртутного вентиля с сеточным управлением. О приборе сказано в Большой энциклопедии, в разделе нефти и газы. Принцип действия похож на тиратрон. Потенциал управляющего электрода управляет временем возникновения дугового разряда в газовой среде.

Итак, идея на момент 1955 года уже существовала. Это не противоречит утверждению, что высказать её мог Вильям Шокли, разработчик первого транзистора. По мнению Гутцвиллера, новое изобретение заменило бы перечисленные, открыв новые сферы применения электроники, включая области военной направленности. Задача была поставлена, и когда инженеры Лабораторий Белла опубликовали технические данные на pnpn-диод, Гордон Холл уразумел, что это напоминает решение поставленной задачи. Персонал начал пробовать новинку, в итоге создав силовой прибор с третьим электродом, при помощи которого происходило влияние на процесс переключения.

Управляемый диод

Когда Гордон принёс Гутцвиллеру вновь созданный управляемый диод, появились мысли о лучшем применении. Для проб избрали электрический двигатель. В магазине купили ручную дрель. Тогда электрический инструмент обнаруживал единственную скорость.

В лаборатории Гутцвиллер собрал простую схему запуска, куда включил потенциометр и новое изобретение. Питание на дрель подавалось через ключ. Инженер получил цепь управления скоростью коллекторного двигателя через изменяемое сопротивление тиристорного ключа. Это и сегодня применяется в кухонных комбайнах. Вращая ручку потенциометра, исследователь отмечал плавный разгон шпинделя. Неслыханно по тем временам.

Немедленно учёный собрал диммер и стал смотреть, как изменяет накал спираль обычной лампочки. Гордон и Рэй Йорк обрадовались наглядной демонстрации и сразу отзвонились в Сиракузы по поводу успеха. Группе инженеров позволили работать исключительно над новым тиристором. За несколько недель был разработан вариант для сетевого напряжения 120 В для управления током на 16 А. Любопытно, что изобретение не засекречивали, и мир узнал о нем из свободной печати (даже с фотографиями). Дженерал Электроникс анонсировало изобретение, скоро появилась заметка в Бизнес Уик.

Учёного завалили телефонными звонками с целью добиться подробностей устройства тиристора. Гутцвиллер занялся написанием статей для журналов и газет, выпустил собрание первых применений для тиристора на 50 страницах. Потом издание Controlled Rectifier Manual выросло до 400 страниц и претерпело 9 изданий. Перевод выполнялся на ограниченное число языков, но желающие поймут суть из оригинальной версии.

Триак

Потом организовали целый отдел для исследований по упомянутой теме. Чуть позднее последовало изобретение триака. Пусть Гутцвиллер получил 20 патентов в указанной области, авторы не видят в числе них главного – на тиристор. Присутствуют все основания утверждать, что тиристор – чрезвычайно загадочное изобретение.

Как работает тиристор

Легко представить тиристор pnpn, как pnp-транзистор, за коллекторным переходом которого дополнительный слой n полупроводника, либо npn-транзистор, перед эмиттером которого находится p-область. В результате ток здесь течёт в единственном направлении, причём в момент, когда на базе присутствует отрицательное управляющее напряжение. По характеристикам прибора видно: чем выше потенциал управления, тем при меньшем напряжении на выходе потечёт ток.

Тиристор без управляющего электрода работает на эффекте обратимого пробоя центрального p-n-перехода. В таком режиме, кстати, часто используются и кремниевые транзисторы, когда включаются в цепь двумя электродами из трёх. Ток потечёт, пока не понизится напряжение ниже удержания лавинного пробоя. Подача управляющего напряжения значительно снижает уровень развития явления. Причём лавинный пробой продолжает идти, даже если с базы окончательно убрать потенциал. Этим тиристоры выгодно отличаются от транзисторов, работают в принципиально ином стиле.

Раз эффект лавинного пробоя сохраняется, напряжение в силовой цепи предполагается повышенное (чтобы хватило), вдобавок экономится энергия управляющей цепи. Для указанной цели годятся импульсы, апеллируя к цифровой электронике. На практике часто в этом качестве используются генераторы несинусоидального сигнала. Чтобы запереть тиристор, требуется подать напряжение обратной полярности на управляющий электрод.

Читатели спрашивают, отчего лавинный пробой возможен лишь в единственном направлении. Действительно, структура тиристора симметричная, впрочем, исключительно на картинке. Когда прикладывается ток другой полярности, потребуется уже пробить два p-n-перехода, подобный эффект пока в литературе не описан. Массу интереса вызвало и новое изобретение Гутцвиллера.

Три вывода тиристора

Гораздо более интересным образом устроен триак. В русскоязычной литературе называется симистором от термина «симметричный тиристор». Прибор способен проводить в определённых условиях ток в любом направлении. Учёный говорит: однажды поздно ночью он подумал, что возможно аналогичным образом собрать прибор из пяти чередующихся областей с разным типом проводимости и укороченным эмиттером. Набросал скетч, принёс в лабораторию, где работоспособность подтвердилась. Термин произошёл от tri – количество электродов и ac – переменный ток.

Схема контролировала обе полуволны сетевого напряжения. Сегодня на триаках работает большинство диммеров для систем освещения. Неплохо, учитывая, что уже прошло минимум четыре десятка лет. На триак, в отличие от тиристора, за именем Гутцвиллера выдан патент под номером 3275909 от 27 сентября 1966 года. В этом косвенно видим подтверждение написанного выше – истинный изобретатель не застолбил собственное право на управляемый выпрямитель.

На кристалле триак представляет два тиристора, включённых навстречу, причём разделенные физически. Единственной общей точкой становится база. Каждый контакт подходит сразу к областям двух типов n и p, к обоим тиристорам одновременно. На положительной полуволне работает первый, а на отрицательной – второй. Напряжение базы управляет обоими по очереди. Сюда подаётся переменное напряжение с фазного анода, уменьшенного номинала. Потенциометром возможно регулировать результирующую амплитуду, изменяя интенсивность освещения, скорость вращения двигателя и прочие параметры.

Прибор способен аналогично работать в избранных условиях и в режиме лавинного пробоя. Причём в обе стороны. Остальные сказки оставьте для профессоров. Триак изобрёл человек, не смыслящий в полупроводниковой технике. А значит, работу прибора нужно объяснять в иных категориях.

Что такое диак

Часто триака идёт рука об руку с диаком. Гутцвиллер использовал подобные технические решения. Это тиристор, работающий без управляющего электрода исключительно в режиме лавинного пробоя. Конструкция идентична. Происхождение термина понятно: di – два электрода + ac – переменный ток. Лавинный пробой успешно наступает в обоих направлениях.

Квадрак (перевод – авторский) представляет собой комбинацию триака и диака. В практических применениях удобно использовать эти устройства вместе. В частности, диак сумел бы формировать напряжения для переключения триака. Логично соединить их в общем корпусе. Про происхождение термина умолчим, оно очевидно.

Тиристоры.

Довольно многочисленная группа приборов, предназначенная для коммутации. В некоторых из них малый ток позволяет переключать большой. В некотором смысле это аналог механического выключателя .

В эту группу входят следующие приборы.

— Динисторы, неуправляемые переключатели. Состояние определяется только величиной приложенного напряжения. Электроды называются «Анод» и «Катод», рис.1.

Рис. 1 Обозначение динистора

— Тринисторы, именно их и называют не совсем корректно тиристорами. Это управляемые переключатели, имеющие управляющий электрод (УЭ). Небольшой ток этого электрода осуществляет коммутацию большого тока протекающего по аноду и катоду. Управление может осуществляется по к атоду а) и по аноду б), рис.2.

А К

Uупр

УЭ а)

УЭ

Рис.2 Управляемые тиристоры

— Симисторы, симметричные тиристоры, не требуют для работы определенной полярности напряжения. Имеются неуправляемые а) и управляемые б).

Рис. 3. Симисторы

Кроме того, имеются тиристоры с двумя управляющими электродами, фототиристоры, тиристоры, работающие на включение и выключение и др.

Принцип действия тиристора.

На рис. 4 показана структура динистора, неуправляемого тиристора. Подадим на анод положительное напряжение.

Рис. 4. Структура динистора.

Эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 открываются и через них начинается движение носителей; электроны из эмиттера Э1 инжектируют в базу Б1, а дырки подобное движение совершают в базу Б2. Базы имеют небольшую толщину, коллекторный переход смещен в обратном направление и на нем возникает значительная напряженность электрического поля. Это поле определяет дальнейшее положение инжектированных зарядов. Электроны под действием поля будут выводится в базу Б2 и та задерживаться электрическим полем, хотя и небольшим, эмиттерного перехода ЭП2. В результате в базе Б2 образуется отрицательный неравновесный заряд. Подобным же образом в базе Б1 образуется положительный неравновесный заряд дырок.

Накопление зарядов в базах при определенной величине последних приводит к открытию коллекторного перехода. Этот процесс эквивалентен включению дополнительного источника на коллекторный переход КП. Его открытие приводит к увеличению тока через структуру, что увеличивает неравновесные заряды, что опять же таки увеличивает ток и т. д. Таким образом процесс включения динистора идет лавинообразно, ток сам себя увеличивает. Это положительная обратная связь. возникающая не за счет обратных связей а из за физических процессов в структуре.

Существует еще причина увеличения тока, как то явления пробоя коллекторного перехода, что способствует рассмотренному явлению.

Эти процессы формируют Вольт – Амперную характеристику динистора, которая показана на рис. 5. На ней можно выделить три характерных участка.

Участок 0-1, тиристор выключен, ток весьма небольшой и определяяется обратно смещенным коллекторным переходом. Как и в транзистора это ток неосновных носителей I0.

Участок 1-2. Здесь в точке Uвкл начинается процесс накопления неравновесных зарядов в базе, начинается лавинообразное нарастание тока. Это участок перехода в открытое состояние.

Участок 2-3. Тиристор открыт, все три перехода открыты. Это участок открытого состояния, по характеру ВАХ он напоминает характеристику диода, только с тем отличием, что здесь три последовательно включенных диода (два ЭП и один КП).

Рис. 5. ВАХ динистора

Параметры динистора, которые приводятся обычно в справочнике, следующие.

1. Uвкл — напряжение включения, имеет величину 50 -150 В, что затрудняет совместную работу динистора и транзистора.

2. Imin – минимальный ток удерживает открытое состояние.

3. Uост – остаточное напряжение (три последовательно включенных диода 1.5-2 В).

4. Imах – максимальный ток, который может пропустить динистор

5. τвкл/выкл – быстродействие тиристора.

Управляемый тиристор (тринистор или просто тиристор) отличается тем, что одна из средних областей (одна из баз) имеет отдельный вывод и называется управляющим электродом, рис. 6. Его роль следующая. Управляющее напряжение Uупр открывает эмитттерный переход (см. Рис. 2, 6), за счет чего накопление неравновесного заряда, необходимого для открытия КП, происходит при меньших напряжениях на аноде. В принципе, чем больше ток в цепи управляющего электрода, тем больше неравновесный заряд в базе и тем меньше требуется тока а, следовательно, и напряжения для открывания тиристора. Происходит снижение напряжения включения, Uвкл (см. рис. 5). Управляющий ток , при котором Uвкл =Uост называется током спрямления, а сама ВАХ спрямленной.

Рис. 6 Структура управляемого тиристора

Таким образом, достигается основная цель – согласование по рабочим напряжениям транзисторов и тиристоров. ВАХ управляемого тиристора при различных токах управления Iуп приведена на рис. 7.

Ia

Uост

Спрямленная характеристика

Iy3 > Iy2 > Iy1

0

I0

Ua

Рис. 7. Вольт-Амперная характеристика тиристора

После открытия тиристора по структуре идут большие токи. Выключить тиристор можно только снижением анодного напряжения, при котором ток анода будет меньше, чем требуется для поддержания открытого состояния. Однако существуют тиристоры работающие на выключения, но они требуют больших токов по управляющему электроду. Параметры тиристора следующие.

  1. Допустимое напряжение на аноде Ua доп.

  2. Прямой максимальный ток I а доп (имеет большую величину, так как малое остаточное Uост обеспечивает небольшую мощность рассеиваемую кристаллом).

  3. Остаточное напряжение Uост.

  4. Ток спрямления Iу спр по цепи управляющего электрода.

  5. Допустимое обратное напряжение.

  6. Параметры характеризующие быстродействие τвкл и τвыкл.

Область применения тиристоров – силовая электроника. Это электропривод, переключатели в силовых цепях, выпрямители и т. д. На рис. 8 приведена упрощенная схема выпрямителя с импульсным регулирование напряжения.

Uупр

+ —

220В Rн

Рис. 8. Тиристор в схеме выпрямителя.

Схема работает следующим образом. На тиристор подается переменное синусоидальное напряжение, но откроется он только при двух условиях:

— при положительной полуволне напряжения на аноде,

— при подаче импульса на управляющий электрод.

Эти процессы показаны на рис. 9. При отрицательной полуволне на ано-

Рис. 9. Работа регулируемого выпрямителя.

де тиристора он закроется и в нагрузке появятся однополярные импульсы тока, в которых имеется постоянное напряжение. Идея регулирования заключается в следующем. Если сдвигать во времени управляющие импульсы, то будет меняться длительность тока в нагрузке и, следовательно, и выпрямленное напряжение. При сдвиге влево напряжение растет, вправо – уменьшается.

Полупроводниковые источники света.

Область применения: волоконно-оптические системы связи, средства индикации и вывода информации, оптроны.

Имеется два вида полупроводниковых источников света:

— светоизлучающие диоды (СИД),

— полупроводниковые лазеры (ПЛ).

Светоизлучающий диод

Структура светоизлучающего диода приведена на рис. 10. При прямом напряжении начинается инжекция носителей из эмиттера в базу, в нашем примере это дырки.

Рис.10. Структура светодиода

Дырочный ток в базе постепенно уменьшается за счет рекомбинации с электронами, которых в базе достаточно много. Изменение дырочного тока показано на рис. 11.

Рис. 11. Ток дырок в базе.

При рекомбинации выделяется энергия. Обычно светодиоды изготавливают из арсенида галлия GaAs и GaAlAs.

В этом материале возникает световое излучение – поток фотонов, то-есть выделяется световая мощность. Параметры излучения зависят от ширины запрещенной зоны материала. На рис. 12 показана зонная диаграмма полупроводника. При рекомбинации свободный электрон «спускается » из зоны проводимости в валентную зону и это сопровождается излучением кванта энергией равной ширине запрещенной зоны, Wк=ΔW. Но по закону Энштейна Wк=hν=hc/λ, где:

h – постоянная Планка,

ν – частота излучения,

с – скорость света,

λ – длина волны излучения.

Рис. 12. Зонная диаграмма полупроводника.

Поскольку все это привязано к ширине запрещенной зоны, излучение носит избирательный характер, спектральная характеристика светодиода приведена на рис. 13.

Рис. 13 Спектральная характеристика СИД.

Несколько замечаний по ней.

— Длина волны максимального излучения зависит от материала. Для индикации применяют светодиоды желтого и красного свечения.

— Характеристика свидетельствует о широкой полосе излучения. Это объясняется различной энергией электронов в зоне проводимости и энергетические уровни, между которыми осуществляется переход, различны.

— Переход электронов на нижние уровни осуществляется не согласованно, хотя каждый и дает квант энергии. Это некогерентный источник света.

— В конструкции СИД имеется обычная фокусирующая линза.

Имеются и другие параметры светодиода.

1. Мощность излучения, обычно Риз = 1-10 мВт.

2. Вольт – Амперная характеристика, напоминает характеристику диода, но может иметь большую величину порогового напряжения.

3. Модуляционная характеристика, рис. 14, зависимость мощности излучения от прямого тока.

Рис. 14. Модуляционная характеристика

Рабочий участок линейный, но при больших токах происходит насыщение центров рекомбинаций и мощность не увеличивается.

4. Имеются параметры быстродействия, время включения и время выключения. Обычно эти времена позволяют работать на частотах до 200 МГц.

5. Деградация. Со временем происходит перемещение атомов примесей в кристалле и начинают увеличиваться безизлучательные переходы при рекомбинации и мощность излучения снижается. СИД работает 104 – 105 часов (6-8 лет).

Наилучшие параметры имеют светодиоды, изготовленные на основе гетеропереходов, например, GaAlAs-p и GaAs-n (Рис. 15).

Рис. 15. Гетеропереход

В таких структурах преобладающее движение носителей заряда одного типа не связано с примесью, как в гомопереходе. В результате инжекция сохраняется при больших плотностях тока через переход и модуляционная характеристика линейна в широком диапазоне (рис. 14). Другая особенность связана с различием оптических свойств базы и эмиттера. Напомним , что носители идут из эмиттера в базу и та рекомбинируют. База – активная область и далее из нее надо вывести излучение с минимальными потерями. В гетероструктурах излучение выводится через эмиттер, который дает малое ослабление и обладает широкой полосой пропускания.

Полупроводниковый лазер.

Теория лазера хорошо изложена на сайте naf-st.narod.ru. Воспользуемся ими.

Для эффективного использования света в технике связи и других областях науки и техники надо добиться синхронного и синфазного (одинакового по фазе) излучения атомов, т. е. так называемого когерентного излучения. Впервые идею такого излучения высказал в 1939 г. советский ученый В. А. Фабрикант. Можно представить себе следующую упрощенную схему получения когерентного излучения. Допустим, имеется цепочка атомов, вытянутая в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из этого атома, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и то же направление излучения, что и ударивший фотон. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из этих фотонов ударит в следующий атом, который даст излучение ещё одного такого же фотона. Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Точно так же происходит излучение четвертого фотона и т. д. В результате световой поток усиливается в огромное число раз. Теоретически коэффициент усиления может достигать значения — 1020. Важно, что в результате такого усиления будет двигаться огромная армия фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения, т. е. излучение будет когерентным. Рассмотренная схема получения когерентного излучения является весьма упрощенной, но зато она наглядно поясняет принцип усиления света.

Реально же кроме атомов, находящихся в возбужденном состоянии и способных дать когерентное излучение под действием фотонной бомбардировки, всегда имеются и атомы, находящиеся в основном, невозбужденном состоянии. Эти атомы поглощают энергию ударивших в них фотонов и тем самым уменьшают энергию когерентного излучения, т. е. уменьшают усиление света.

Если число возбужденных атомов равно числу невозбужденных, то никакого усиления света не получится, так как число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, будет равно числу фотонов, излученных возбужденными атомами. Следовательно, для усиления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа атомов, находящихся в основном, невозбужденном состоянии. Другими словами, должна быть так называемая инверсия населенности энергитических уровней. В отличие от состояния, когда атомы не возбуждены и электроны находятся на основных орбитах (на более низких уровнях), необходимо в большинстве атомов «переселить» электроны на более удаленные от ядра орбиты (на более высокие уровни), т. е. возбудить большинство атомов. Конечно, чтобы усиление света происходило в течение необходимого промежутка времени, надо все это время сохранять инвертированное состояние вещества, т. е. все время должно быть большое количество возбужденных атомов. Для этого и надо к данному веществу, называемому активной средой или рабочим веществом, подводить тем или иным способом энергию, вызывающую возбуждение атомов. Такой процесс называется накачкой.

Вышерассмотренный процесс создания усилителя света получил название лазер.

Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осуществить в нем положительную обратную связь, при которой часть энергии излучения с выхода возвращается на вход и снова усиливается. Идею создания таких генераторов когерентного света впервые, независимо друг от друга, выдвинули в 1953 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров (СССР), а также американец Ч. Таунс, удостоенные Нобелевской премии за исследования в области квантовой электроники. Принцип лазера, иначе называемого оптическим квантовым генератором (ОКГ), можно пояснить следующим образом (рис. 16).

Рис. 16 — Принцип устройства лазера

В пространстве заполненном активной средой, между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке зеркало 2), движется поток излучаемых атомами фотонов от конца 1 к концу 2. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучается во внешнее пространство в виде когерентного луча. Небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливаясь по пути, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где отражается частично, снова движется обратно и т. д..

Конечно, какой-то внешний источник энергии должен поддерживать инверсное состояние активной среды, и тогда через зеркало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Следует отметить, что система двух или нескольких зеркал, в пространстве между которыми могут существовать стоячие или бегущие электромагнитные волны оптического диапазона, называются открытым или оптическим резонатором. Простейший оптический резонатор, состоящий из двух плоских параллельных зеркал, называется иначе интерферометром Фабри-Перро.

Где и как применять защитные тиристоры SIDACtor от Littelfuse

28 мая 2018

Мощные помехи, возникающие в сетях переменного напряжения, способны повреждать электронные устройства. Для защиты электроники чаще всего используют варисторы, TVS-диоды, газовые разрядники и защитные тиристоры. Защитные тиристоры SIDACtor серий Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА производства компании Littelfuse применяются, когда требуется высокая точность напряжения ограничения. Они сочетают высокую стабильность и достаточно большой пиковый ток.

Защита от помех, возникающих в сетях переменного напряжения – одна из важнейших задач, стоящих перед разработчиками электронных устройств. Если эту задачу не решить на этапе разработки, то срок эксплуатации незащищенного электронного устройства может оказаться весьма коротким.

Существует несколько традиционных элементов защиты от перегрузок по напряжению: металл-оксидные варисторы (MOV, Metal Oxide Varistor), TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor), газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube) и защитные тиристоры [1]. У каждого из них есть свои плюсы и особенности применения. Поэтому при построении системы защиты разработчики зачастую используют комбинацию из нескольких элементов. Например, тиристор и варистор могут включаться последовательно.

Защитные тиристоры отличаются рекордной стабильностью характеристик, высокой скоростью включения и способностью многократно выдерживать мощные импульсы перенапряжений. К сожалению, их основным недостатком является невысокий пиковый ток. Однако производители работают над решением этой проблемы. Например, совсем недавно компания Littelfuse пополнила линейку защитных тиристоров SIDACtor двумя новыми семействами – Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА (рисунок 1).

Рис. 1. Защитные тиристоры Pxxx0FNL и Pxxx0ME

Структура и характеристики защитных тиристоров SIDACtor

Защитные тиристоры SIDACtor имеют только два вывода, то есть, по определению являются диодными тиристорами [2]. Их упрощенная структура включает в себя четыре слоя с разными типами проводимости: эмиттер (верхний N-слой), верхняя база (верхний P-слой), средний N-слой, нижняя база (нижний P-слой) (рисунок 2). Электрод, подключенный к эмиттеру, часто называют катодом, а электрод, подключенный к нижней базе – анодом.

Рис. 2. Упрощенная структура защитных тиристоров SIDACtor

Диодный тиристор можно рассматривать как два встречно включенных диода. При низких напряжениях такая структура не проводит ток ни в одном из направлений. При увеличении напряжения наблюдается незначительный рост тока утечки. Рост напряжения приводит к увеличению напряженности поля, приложенного к p-n переходам. При некотором значении напряженности возникает лавинный пробой. При этом сопротивление тиристора скачком уменьшается до очень малого значения. Проводящее состояние сохраняется до тех пор, пока ток в тиристоре не уменьшится до уровня, при котором прекращается лавинный пробой. В реальных схемах выключение тиристора происходит при смене полярности приложенного напряжения.

Скачкообразное изменение сопротивления приводит к разрыву вольт-амперной характеристики тиристора (рисунок 3). С помощью ВАХ можно охарактеризовать наиболее важные параметры этих компонентов.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика защитных тиристоров SIDACtor

VDRM – рабочее напряжение: повторяющееся обратное напряжение в закрытом состоянии, при котором не происходит открытие тиристора.

IDRM – максимальное значение тока утечки при напряжении VDRM.

VS – напряжение переключения: максимальное напряжение, при котором происходит включение тиристора при воздействии импульса 100 В/мкс. Этот параметр характеризует уровень ограничения напряжения.

IS – ток переключения: максимальный ток, необходимый для включения тиристора.

IH – ток удержания: минимальный ток, необходимый для удержания тиристора в открытом состоянии.

VT – максимальное падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии.

IТ – максимальный допустимый постоянный ток тиристора в открытом состоянии.

IТSM – максимальный допустимый ток тиристора в открытом состоянии при воздействии синусоидального напряжения.

IPP – пиковый ток: максимальный допустимый импульсный ток тиристора в открытом состоянии.

di/dt – максимальная допустимая скорость нарастания тока.

Coff – собственная емкость в закрытом состоянии. Как правило, измеряется при напряжении 2 В и частоте 1 МГц.

Тиристоры SIDACtor являются полупроводниковыми силовыми компонентами и способны выдерживать множественные включения без существенного ухудшения характеристик (минимальная деградация). Тем не менее, если допустимая скорость нарастания тока di/dt будет превышена, то тиристор может выйти из строя. При этом значение максимального тока для SIDACtor оказывается достаточно скромным.

Сравнение характеристик защитных ограничителей напряжения

Для защиты от мощных помех в сетях переменного напряжения разработчики чаще всего используют следующие защитные элементы:

  • тиристоры SIDACtor®;
  • металл-оксидные варисторы (MOV, Metal Oxide Varistor),
  • TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor),
  • газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube).

Все перечисленные элементы подключаются параллельно нагрузке и имеют высокое сопротивление при отсутствии перенапряжений. При возникновении мощной помехи происходит активация защитного компонента. При этом тиристоры и газоразрядники при срабатывании формируют короткое замыкание, а варисторы и TVS-диоды ограничивают напряжение помехи. Рассмотрим достоинства и особенности применения всех представленных защитных компонентов (таблица 1) [2].

Таблица 1. Преимущества и особенности применения элементов защиты от перенапряжений

Параметр Газовые разрядники Защитные тиристоры SIDACtor® Варисторы TVS
Механизм работы Пробой (КЗ) Пробой (КЗ) Ограничение Ограничение
Уровень пиковых токов Высокий Средний Высокий Средний
Время срабатывания Более 1 мкс Менее 1 нс Диапазон нс Диапазон нс
Пиковый ток, кА 20 5 70 15
Минимальное напряжение включения, В 75 8 6 6
Точность напряжения включения Низкая Высокая Низкая Высокая
Эффективность ограничения выбросов напряжения Средняя Высокая Низкая Высокая
Типовая емкость, пФ ~1 ~30 ~1400 ~100
Напряжение в режиме ограничения ~30 В ~3 В Vc Vc
Уровень выживаемости Хороший Отличный Ограниченный Хороший
Соотношение «габариты/пиковый ток» Низкое Среднее Высокое Среднее

Тиристоры SIDACtor®

При возникновении помехи с напряжением, превышающим Vs, происходит открытие тиристора. При этом формируется состояние, близкое к короткому замыканию: напряжение на тиристоре скачком падает до очень малого значения (единицы В), а ток возрастает. Таким образом нагрузка оказывается защищенной от перенапряжений.

Тиристоры SIDACtor не могут быть повреждены напряжением. Кроме того, они отличаются минимальным временем включения и чрезвычайно высокой стабильностью напряжения срабатывания, которое практически не зависит от скорости нарастания помехи dv/dt (рисунок 4). Это делает тиристоры практически идеальным выбором, если требуется высокая точность установки напряжения ограничения.

Рис. 4. Стабильность напряжения включения для различных защитных компонентов

Важными достоинствами тиристоров также являются отличная долговременная стабильность и малая собственная емкость.

К особенностям применения тиристоров следует отнести необходимость использования защиты по току, например, предохранителей. В противном случае при превышении допустимых значений тиристор выйдет из строя.

Газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube)

Принцип работы газового разрядника построен на использовании газового пробоя [3]. Разрядник представляет собой герметично запечатанную керамическую колбу с инертным газом. Внутренняя часть электродов имеет особую форму, которая призвана сформировать электрическое поле. В ряде случаев разрядники снабжены дополнительным термопредохранителем (Failsafe Clip). При возникновении газового разряда, как и в случае с тиристорами, формируется состояние, близкое к короткому замыканию.

Основными достоинствами газовых разрядников являются высокие пиковые токи до 20 кА и рекордно низкая собственная емкость (единицы пФ). Разрядники чаще всего используются как первый рубеж защиты от перенапряжений и идеально подходят для высокочастотных схем.

К недостаткам разрядников можно отнести большую задержку включения, высокое и нестабильное напряжение ограничения, деградацию.

Металл-оксидные варисторы MOV

Варисторы являются наиболее распространенным типом защитных компонентов для сетей переменного напряжения [4].

Чаще всего для производства варисторов используется оксид цинка ZnO. При низких напряжениях ZnO фактически является диэлектриком с токами утечки в единицы микроампер. При увеличении напряжения выше некоторого предела (напряжения пробоя) происходит локальный разогрев оксида, что приводит к обратимому пробою. При пробое сопротивление резко уменьшается, а ток возрастает. Увеличение тока приводит к росту выделяемой мощности и разогреву структуры варистора. Значительное повышение рассеиваемой мощности может привести к необратимому тепловому пробою. При этом структура варистора разрушается.

Варисторы отличаются рекордно высокими пиковыми токами до 70 кА и способны эффективно поглощать мощные помехи. Вместе с тем их недостатками являются деградация параметров, высокая емкость и сильная зависимость напряжения ограничения от тока.

TVS-диоды

Принцип работы защитного TVS-диода основан на использовании обратимого пробоя [5]. Если к TVS приложить напряжение амплитудой больше определенного значения (напряжение пробоя), то начнется пробой с лавинообразным увеличением носителей. Ток, проходящий через диод, практически неограниченно возрастает, а напряжение меняется незначительно. В итоге происходит ограничение входного напряжения.

TVS-диоды эффективно справляются с быстрыми помехами, отличаются высокой стабильностью и длительным сроком службы. Тем не менее, TVS-диоды не являются идеальными защитными ограничителями. Во время пробоя при увеличении тока напряжение на диоде возрастает, хотя и не так быстро. Это приводит к тому, что уровень ограничения зависит от мощности помехи: чем мощнее помеха – тем выше напряжение ограничения.

Таким образом, все перечисленные элементы имеют свои плюсы и минусы. По этой причине разработчики часто используют совместное включение различных компонентов. Например, последовательное включение варистора и тиристора позволяет получать малое напряжение ограничения. Не стоит забывать и о том, что производители продолжают совершенствовать характеристики своей продукции.

Обзор семейств защитных тиристоров Pxxx0FNL и Pxxx0ME

Pxxx0FNL – серия защитных тиристоров SIDACtor с пиковым импульсным током 3 кА (импульсы 8/20 мкс IPP) и пиковым током 300 А в сетях 50/60 Гц (таблица 2). Диапазон рабочих напряжений (VDRM) для Pxxx0FNL составляет 58…350 В. Все тиристоры данной группы выпускаются в корпусном исполнении TO-262M.

Таблица 2. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0FNL

Наименование VDRM (lDRM = 5 мкА), мин., В VS
(100 В/мкс), мин., В
Ih мин., мА Is мин., мА It мин., А Vt
(при lt = 2,2 А), мин., В
Емкость, пФ di/dt, А/мкс IPP
(8/20 мкс), мин., А
ITSM
(50/60 Гц), мин., А
P0640FNL 58 77 50 800 2,2 4 250…550 330 3000 300
P0720FNL 65 88 50 800 2,2 4 250…550
P0900FNL 75 98 50 800 2,2 4 250…550
P1100FNL 90 130 50 800 2,2 4 250…450
P1300FNL 120 160 50 800 2,2 4 250…450
P1500FNL 140 180 50 800 2,2 4 250…450
P1900FNL 155 220 50 800 2,2 4 250…450
P2300FNL 180 260 50 800 2,2 4 250…450
P2600FNL 220 300 50 800 2,2 4 250…450
P3100FNL 275 350 50 800 2,2 4 250…450
P3500FNL 320 400 50 800 2,2 4 250…450
P3800FNL 350 430 50 800 2,2 4 250…450

Pxxx0ME – серия тиристоров с импульсным током 5 кА (импульсы 8/20 мкс IPP) и пиковым током 400 А в сетях 50/60 Гц. Представители семейства могут использоваться в диапазоне рабочих напряжений (VDRM) 140…450 В (таблица 3). Тиристоры Pxxx0FNL выпускаются в корпусном исполнении TO-218.

Таблица 3. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0ME

Наименование VDRM (lDRM = 5 мкА), мин, В VS
(100 В/мкс), мин, В
Ih мин., мА Is мин., мА It мин., А Vt
(при lt = 2,2 А), мин., В
Емкость, пФ di/dt, А/мкс IPP
(8/20 мкс), мин., А
ITSM
(50/60 Гц), мин., А
P1500MEL 140 180 50 800 2,2/25 4 400…650 630 5000 400
P1900MEL 155 220 50 800 2,2/25 4 400…650
P2300MEL 180 260 50 800 2,2/25 4 350…600
P3800MEL 350 430 50 800 2,2/25 4 350…500
P4800MEL 450 600 20 800 2,2/25 4 350…500

Если проанализировать характеристики данных семейств, то окажется, что они имеют несколько важных преимуществ перед другими элементами защиты от перенапряжений [1]:

  • чрезвычайно малое напряжение в открытом состоянии по сравнению с газоразрядниками;
  • минимальную разницу между рабочим напряжением и напряжением включения по сравнению с варисторами;
  • высокое значение пиковых токов по сравнению с TVS-диодами;
  • минимальную зависимость напряжения во включенном состоянии от тока по сравнению со всеми другими типами защитных элементов.

Рассмотрим особенности и примеры использования тиристоров SIDACtor.

Типовая схема защиты на базе тиристоров SIDACtor

Типовая схема защиты устройства, питающегося от сети переменного напряжения, предполагает использование последовательного предохранителя и тиристора, включенного параллельно нагрузке (рисунок 5) [2]. В штатном режиме работы при отсутствии помех тиристор и предохранитель никак не влияют на работоспособность схемы. Как уже было сказано выше, при возникновении перенапряжения тиристор включается и переходит в проводящее состояние, близкое к короткому замыканию. Предохранитель необходим для защиты самого тиристора от перегрузки по току. Таким образом, схема обеспечивает защиту от перенапряжений и перегрузок по току при включении тиристора.

Рис. 5. Тиристорная защита устройства, питающегося от сети переменного напряжения [2]

В предложенной схеме предохранитель выбирается, исходя из максимального тока тиристора IТSM. Если необходимо обеспечить токовую защиту не только при включении тиристора, но и при возникновении КЗ на устройстве, применяют схему с двумя предохранителями (рисунок 6). Номинал предохранителя в цепи тиристора определяется по максимальному току IТSM, а предохранитель в цепи нагрузки выбирается с учетом максимального тока потребления нагрузки. При этом связка из тиристора и предохранителя обеспечивает защиту от перенапряжения не только для устройства, но и для второго предохранителя.

Рис. 6. Тиристорная схема защиты с дополнительным предохранителем [2]

На рисунке 7 представлена демонстрационная тиристорная схема защиты на базе P3800MEL.

Рис. 7. Демонстрационная тиристорная схема защиты на базе P3800MEL [2]

На рисунке 8а изображен отклик демонстрационной схемы на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при отсутствии подключения к сети переменного напряжения. Оранжевым цветом показан импульс перенапряжения 3 кА 8/20 мкс, синим – отклик тиристора P3800MEL. Включение P3800MEL происходит при 272 В, после чего напряжение падает ниже 30 В.

На рисунке 8б показан отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при подключении к сети переменного напряжения. Напряжение на тиристоре при включении падает ниже 10 В (осциллограмма синего цвета). Ток через тиристор достигает пикового значения 278 А (осциллограмма оранжевого цвета) и определяется во многом импедансом сети и мощностью источника питания. Стоит отметить, что указанный ток не способен повредить тиристор P3800MEL, так как не превышает максимально допустимого значения IТSM (50/60 Гц), равного 400 А (таблица 3).

Рис. 8. Отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс: а) без подключения к сети; б) при подключении к сети [2]

Типовая схема защиты на базе тиристоров SIDACtor

Тиристоры Pxxx0FNL и Pxxx0ME могут использоваться совместно с варисторами [2]. Такое решение дает целый ряд преимуществ. В частности, при их последовательном включении удается достичь малого напряжения ограничения. Поясним это на конкретном примере.

На рисунке 9 представлена защитная цепочка, состоящая из тиристора P2300MEL с рабочим напряжением 180 В, варистора V20E130P с рабочим напряжением 130 В и предохранителя. Данная схема обеспечивает защиту от перенапряжений и перегрузки по току.

Рис. 9. Схема защиты с низким напряжением ограничения на базе тиристора P2300MEL и варистора V20E130P [2]

На рисунке 10а представлен отклик рассматриваемой схемы на воздействие импульса 3 кА (8/20 мкс) без подключения к сети переменного напряжения. Как видно из диаграммы, напряжение ограничения составило 425 В, что значительно выше, чем напряжение тиристора P2300MEL в открытом состоянии (менее 30 В). Это достаточно ожидаемый результат, так как итоговое напряжение ограничения складывается из напряжения ограничения варистора и напряжения тиристора в открытом состоянии. Если бы для защиты использовался только варистор, то напряжение ограничения было бы гораздо выше. Действительно, для сетевого напряжения 240 В пришлось бы выбрать варистор V20E275P, для которого напряжение ограничения превышает 900 В. Очевидно, что не каждое устройство способно сохранить работоспособность даже при кратковременном воздействии такого импульса.

Снижение напряжения ограничения является далеко не единственным преимуществом комбинированной схемы. На рисунке 10б представлен отклик рассматриваемой схемы на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при подключении к сети переменного напряжения. Пиковый ток в цепи тиристора при включении защиты составил 42,3 А, что значительно меньше, чем при использовании одиночного тиристора (278 А, рисунок 9). Более того, связка из варистора и тиристора отличается гораздо более низким током утечки по сравнению с одиночным варистором, а это позволяет значительно продлить срок службы варистора.

Рис. 10. Отклик схемы защиты на базе тиристора P2300MEL и варистора V20E130P на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс: а) без подключения к сети; б) при подключении к сети [2]

Кроме обычных варисторов, компания Littelfuse выпускает и варисторы со встроенным термопрерывателем, который размыкает цепь при разогреве, тем самым увеличивая срок службы варистора. При использовании такого компонента комбинированная схема защиты останется практически без изменений (рисунок 11).

Рис. 11. Схема защиты на базе тиристора и варистора с тепловой защитой [2]

Применение тиристора позволяет значительно улучшить традиционную варисторную схему. Такое решение востребовано не только при защите устройств, подключаемых к бытовой сети, но и в схемах заряда аккумуляторов в электромобилях и автомобилях с гибридной силовой установкой, в двух- и трехфазных инверторах напряжения в источниках питания, в инверторах для солнечных батарей.

Не стоит забывать, что тиристор имеет ограничение по пиковому току, и в ряде случаев в схеме требуется предусмотреть дополнительный предохранитель.

Расчет предохранителя для защиты тиристора от перегрузки по току

Исходя из логики работы схемы, предохранитель должен выдерживать суммарный ток сети и импульса 3 кА 8/20 мкс, но включаться до того как будет превышено допустимое для тиристора значение. В этом случае предохранитель будет разрывать цепь только в тех случаях, когда необходимо защитить тиристор. Выбор предохранителя удобнее всего делать с учетом величины I²t.

Рассмотрим конкретный пример выбора предохранителя для представленной выше комбинированной схемы (рисунок 9) [2].

Для импульса тока 3 кА 8/20 мкс величина I²t может быть оценена с использованием пиковых значений тока:

I²t = ½·Ipeak·Ipeak·t = ½·3000·3000·20·10-6 = 90 A²c.

Для составляющей тока сети:

I²t = ½·Ipeak·Ipeak·t = ½·43·43·0,01 = 9,245 A²c.

Суммарное значение I²t: 90 A²c + 9,245 A²c = 99,245 A²c.

Далее необходимо учесть фактор снижения I²t при воздействии серии импульсов. Например, при воздействии 100 000 импульсов следует использовать коэффициент 0,22 (рисунок 12). Для защиты от перенапряжений обычно речь идет о десятках импульсов и коэффициенте 0,48.

Таким образом, для предохранителя рейтинг I²t должен быть больше, чем 99,245/0,22 = 451 A²c.

Рис. 12. Снижение I²t при воздействии серии импульсов

Для выбранного тиристора значение тока IТSM (50/60 Гц) составляет 400 А (таблица 3). Тогда максимальная величина I²t равна ½·400·400·0,01 = 800 A²c.

Очевидно, что расчетное значение I²t 451 A²c меньше, чему у выбранного тиристора (800 A²c). Таким образом выбор предохранителя из диапазона 451…800 A²c гарантирует защиту тиристора от перегрузки по току и отсутствие ложных срабатываний.

Для проверки выбора MOV необходимо вычислить энергию импульса. В нашем случае это (1/√2)·U·I·t = 0,71·250·3000·20·10-6 + 0,71·250·43·0,007 = 10,65 + 53,43 = 64,08 Дж.

Для используемого варистора V20E130P допустимая энергия оказывается выше и составляет 100 Дж.

В итоге предохранитель с рейтингом 250 В AC и с I²t на уровне 451 A²c не будет влиять на работу схемы в штатном режиме, но защитит тиристор при возникновении помехи. Компания Littelfuse предлагает несколько моделей предохранителей, отвечающих предъявляемым требованиям (таблица 4).

Таблица 4. Модели предохранителей Littelfuse с рейтингом I²t более 451

Типоразмер, мм IEC UL
5×20 216016 (462,4 A²c) 215012 (515,5 A²c)
6,3×32 314020/324020 (631 A²c) 325020/326020 (5575 A²c)

Заключение

Использование тиристоров SIDACtor серий Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА производства компании Littelfuse является одним из эффективных способов защиты от мощных помех, возникающих в цепях переменного напряжения. Главными достоинствами этих компонентов являются минимальное напряжение в открытом состоянии, рекордно малое время включения, высочайшая стабильность напряжения включения и отличная временная стабильность.

Тиристоры SIDACtor вместе с дополнительными предохранителями позволяют выполнять защиту устройств от перенапряжений и перегрузок по току.

Комбинированная схема из варистора и тиристора оказывается более эффективной, чем традиционная варисторная защита. При использовании комбинированного решения удается снизить ток утечки, продлить жизнь варистора и получить более низкое напряжение ограничения.

Литература

  1. Application Note: High Power Semiconductor Crowbar Protector for AC Power Line Applications. 2017, Littelfuse;
  2. Electronics Circuit Protection. Product Selection Guide. 2013, Littelfuse;
  3. Вячеслав Гавриков. Газоразрядники Littelfuse: там, где полупроводники бессильны. НЭ, №12, 2014;
  4. Антон Стильве. Варистор варистору рознь: надежная защита от скачков напряжения. НЭ, №6, 2016;
  5. Вячеслав Гавриков. Полупроводниковая защита: обзор основных серий TVS-диодов от Littelfuse. НЭ, №12, 2014;
  6. http://www.littelfuse.com.

•••

Наши информационные каналы
Учебное пособие по тиристорному или кремниевому выпрямителю

Это многослойное полупроводниковое устройство, отсюда и «кремниевая» часть его названия. Требуется сигнал затвора, чтобы включить его, «управляемую» часть имени, а после «ВКЛ» он ведет себя как выпрямительный диод, «выпрямительная» часть имени. Фактически, обозначение схемы тиристора предполагает, что это устройство действует как управляемый выпрямительный диод.

Символ тиристора

Однако, в отличие от переходного диода, который представляет собой двухслойное (PN) полупроводниковое устройство, или обычно используемого биполярного транзистора, который представляет собой трехслойное (PNP или NPN) переключающее устройство, Thyristor представляет собой четырехслойный (PNPN) полупроводник. устройство, которое содержит три последовательно соединенных PN-перехода и обозначено символом, как показано.

Как и диод, тиристор является однонаправленным устройством, то есть он будет проводить ток только в одном направлении, но, в отличие от диода, тиристор может работать либо как переключатель разомкнутой цепи, либо как выпрямительный диод, в зависимости от как срабатывает затвор тиристора. Другими словами, тиристоры могут работать только в режиме переключения и не могут использоваться для усиления.

Кремниевый управляемый выпрямитель SCR , является одним из нескольких силовых полупроводниковых устройств наряду с симисторами (триода переменного тока), диодами (диодными переменными токами) и UJT (однопереходными транзисторами), которые могут действовать как очень быстрые твердотельные переключатели переменного тока для управления большие переменные напряжения и токи.Таким образом, для изучающих электронику это делает эти твердотельные устройства очень удобными для управления двигателями переменного тока, лампами и для регулирования фазы.

Тиристор представляет собой трехконтактное устройство с маркировкой: «Анод», «Катод» и «Затвор», состоящее из трех PN-переходов, которые можно переключать в положение «ВКЛ» и «ВЫКЛ» с очень высокой скоростью, или его можно переключать. «ВКЛ» для переменной продолжительности в течение полупериодов для подачи выбранного количества мощности на нагрузку. Работу тиристора можно лучше всего объяснить, если предположить, что он состоит из двух транзисторов, соединенных друг с другом в виде пары дополнительных регенеративных переключателей, как показано.

A Тиристоры Двухтранзисторная аналогия

Двухтранзисторная эквивалентная схема показывает, что коллекторный ток NPN-транзистора TR 2 подается непосредственно на базу PNP-транзистора TR 1 , в то время как коллекторный ток TR 1 подается на базу TR 2. . Эти два взаимосвязанных транзистора зависят друг от друга для обеспечения проводимости, поскольку каждый транзистор получает ток база-эмиттер от тока коллектора-эмиттера другого.Таким образом, до тех пор, пока на один из транзисторов не будет подан некоторый базовый ток, ничего не может произойти, даже если присутствует напряжение между анодом и катодом.

Когда вывод анода тиристора является отрицательным по отношению к катоду, центральный переход N-P смещен в прямом направлении, но два внешних перехода P-N имеют обратное смещение, и он ведет себя очень как обычный диод. Поэтому тиристор блокирует прохождение обратного тока до тех пор, пока на некотором высоком уровне напряжения не будет превышена точка напряжения пробоя двух внешних переходов, и тиристор не начнет работать без подачи сигнала затвора.

Это важная отрицательная характеристика тиристора, так как тиристоры могут непреднамеренно перейти в режим проводимости из-за обратного перенапряжения, а также из-за высокой температуры или быстро растущего напряжения dv / dt , такого как всплеск.

Если вывод анода положительный по отношению к катоду, два внешних перехода P-N теперь смещены в прямом направлении, но центральный переход N-P смещен в обратном направлении. Поэтому прямой ток также блокируется.Если в базу NPN-транзистора TR 2 подается положительный ток, результирующий ток коллектора протекает в базе транзистора TR 1 . Это, в свою очередь, вызывает протекание тока коллектора в транзисторе PNP, TR 1 , который увеличивает базовый ток TR 2 и так далее.

Типичный тиристор

Очень быстро два транзистора заставляют друг друга проводить до насыщения, поскольку они соединены в цепь регенеративной обратной связи, которая не может остановиться.После запуска в режим проводимости ток, протекающий через устройство между анодом и катодом, ограничивается только сопротивлением внешней цепи, поскольку прямое сопротивление устройства при проводимости может быть очень низким и составлять менее 1 Ом, поэтому падение напряжения на нем и потери мощности также низкие.

Затем мы можем видеть, что тиристор блокирует ток в обоих направлениях источника переменного тока в его состоянии «ВЫКЛ» и может быть включен «ВКЛ» и заставлен действовать как обычный выпрямительный диод путем приложения положительного тока к базе транзистор TR 2 , который для кремниевого выпрямителя называется клеммой «затвор».

Кривые рабочего напряжения-тока I-V для работы кремниевого выпрямителя имеют следующий вид:

Кривые ВАХ тиристора

Как только тиристор был включен и пропускает ток в прямом направлении (положительный анод), сигнал затвора теряет всякое управление из-за рекуперативного фиксирующего действия двух внутренних транзисторов. Применение любых стробирующих сигналов или импульсов после начала регенерации не будет иметь никакого эффекта, потому что тиристор уже находится в проводящем состоянии и полностью включен.

В отличие от транзистора, SCR не может смещаться, чтобы оставаться в какой-либо активной области вдоль линии нагрузки между состояниями блокировки и насыщения. Величина и длительность импульса «включения» затвора мало влияют на работу устройства, поскольку проводимость контролируется изнутри. Затем достаточно применить кратковременный стробирующий импульс к устройству, чтобы заставить его проводить, и он будет постоянно оставаться включенным, даже если стробирующий сигнал полностью удален.

Следовательно, тиристор можно рассматривать как бистабильную защелку , имеющую два стабильных состояния «ВЫКЛ» или «ВКЛ».Это связано с тем, что без применения стробирующего сигнала кремниевый управляемый выпрямитель блокирует ток в обоих направлениях формы волны переменного тока, и как только он запускается в проводимость, регенеративное фиксирующее действие означает, что его нельзя снова выключить, просто используя свой затвор. .

Так как же выключить тиристор? . После того, как тиристор автоматически зафиксировался в состоянии «ВКЛ» и пропустил ток, его можно снова выключить, только полностью сняв напряжение питания и, следовательно, анодный ток (I A ), или уменьшив его Ток между анодом и катодом с помощью некоторых внешних средств (например, размыкание переключателя) ниже значения, обычно называемого «минимальным током удержания», I H .

Таким образом, анодный ток должен быть уменьшен ниже этого минимального уровня удержания на время, достаточное для того, чтобы тиристоры с внутренней фиксацией pn-переходами вернулись в свое состояние блокировки, прежде чем прямое напряжение снова будет подано на устройство без его автоматического самопроверки. Очевидно, что для того, чтобы тиристор в первую очередь проводил, его анодный ток, который также является его током нагрузки, I L должен быть больше, чем его значение тока удержания. То есть я L > Я H .

Поскольку тиристор имеет возможность выключаться, когда анодный ток снижается ниже этого минимального удерживаемого значения, из этого следует, что при использовании синусоидального источника переменного тока SCR автоматически отключается при некотором значении, близком к точка перехода каждого полупериода, и, как мы теперь знаем, будет оставаться в положении «ВЫКЛ» до подачи следующего импульса запуска Gate.

Поскольку синусоидальное напряжение переменного тока постоянно меняет полярность с положительной на отрицательную в каждом полупериоде, это позволяет тиристору отключаться в нулевой точке 180 o положительного сигнала.Этот эффект известен как «естественная коммутация» и является очень важной характеристикой кремниевого управляемого выпрямителя.

Тиристоры, используемые в цепях, питаемых от источников постоянного тока, это естественное условие коммутации не может возникнуть, поскольку напряжение питания постоянного тока является непрерывным, поэтому необходимо обеспечить какой-либо другой способ выключить тиристор в подходящее время, потому что после срабатывания он будет оставаться проводящим.

Однако в синусоидальных цепях переменного тока естественная коммутация происходит каждые полупериод.Затем во время положительного полупериода синусоидального сигнала переменного тока тиристор смещен в прямом направлении (положительный анод), и может быть запущен «ВКЛ» с помощью сигнала затвора или импульса. Во время отрицательного полупериода анод становится отрицательным, а катод — положительным. Тиристор смещен в обратном направлении этим напряжением и не может проводить, даже если присутствует сигнал затвора.

Таким образом, подавая сигнал затвора в соответствующее время во время положительной половины сигнала переменного тока, тиристор может быть переведен в режим проводимости до конца положительного полупериода.Таким образом, фазовое управление (как его называют) можно использовать для запуска тиристора в любой точке положительной половины сигнала переменного тока, и одно из многих применений кремниевого управляемого выпрямителя — это управление мощностью систем переменного тока, как показано .

Тиристорный регулятор фазы

В начале каждого положительного полупериода SCR выключен. При применении стробирующего импульса SCR запускается в состояние проводимости и остается полностью зафиксированным в состоянии «ВКЛ» в течение всего положительного цикла.Если тиристор срабатывает в начале полупериода (θ = 0 o ), нагрузка (лампа) будет «ВКЛ» в течение всего положительного цикла формы волны переменного тока (полуволнового выпрямленного переменного тока) при высокое среднее напряжение 0,318 x Vp .

По мере того, как импульс запуска затвора увеличивается в течение полупериода (θ = 0 o до 90 o ), лампа горит в течение меньшего времени, и среднее напряжение, подаваемое на лампу, также будет пропорционально меньше, что снижает ее яркость.

Затем мы можем использовать кремниевый управляемый выпрямитель в качестве диммера переменного тока, а также во множестве других приложений питания переменного тока, таких как: регулирование скорости двигателя переменного тока, системы контроля температуры, схемы регулятора мощности и т. Д.

До сих пор мы видели, что тиристор — это, по сути, полуволновое устройство, которое проводит только положительную половину цикла, когда анод положительный, и блокирует ток, как диод, когда анод отрицательный, независимо от сигнала затвора.

Но есть и другие полупроводниковые устройства, которые называются «тиристорами», которые могут проводить в обоих направлениях, двухполупериодные устройства или могут быть выключены сигналом затвора.

К таким устройствам относятся: «Тиристоры с выключением затвора» (GTO), «Тиристоры статической индукции» (SITH), «Тиристоры с МОП-управлением» (MCT), «Кремниевый управляемый переключатель» (SCS), «Триодные тиристоры» (TRIAC) и «Светоактивные тиристоры» (LASCR), чтобы назвать несколько, все эти устройства доступны с различными номинальными значениями напряжения и тока, что делает их привлекательными для использования в приложениях с очень высокими уровнями мощности.

Сводка тиристора

Кремниевые управляемые выпрямители , известные как Тиристоры , представляют собой трехпереходные полупроводниковые устройства PNPN, которые можно рассматривать как два взаимосвязанных транзистора, которые можно использовать для переключения тяжелых электрических нагрузок.Их можно зафиксировать — «ВКЛ» одним импульсом положительного тока, приложенного к их клемме затвора, и они будут оставаться в «ВКЛ» неопределенно долго, пока ток между анодом и катодом не упадет ниже их минимального уровня фиксации.

Статические характеристики тиристора

  • Тиристоры — это полупроводниковые устройства, которые могут работать только в режиме переключения.
  • Тиристоры — это устройства, работающие от тока, малый ток затвора управляет большим анодным током.
  • Проводит ток только при прямом смещении и токе запуска, приложенном к затвору.
  • Тиристор действует как выпрямительный диод при срабатывании «ВКЛ».
  • Анодный ток должен быть больше тока удержания для поддержания проводимости.
  • Блокирует ток при обратном смещении, независимо от того, применяется ли ток затвора.
  • После срабатывания «ВКЛ» будет зафиксировано «ВКЛ», проводя, даже если ток затвора больше не подается, при условии, что ток анода превышает ток фиксации.

Тиристоры — это высокоскоростные переключатели, которые могут использоваться для замены электромеханических реле во многих цепях, поскольку они не имеют движущихся частей, исключают дуговое искрение на контактах или страдают от коррозии или грязи.Но в дополнение к простому переключению больших токов «ВКЛ» и «ВЫКЛ», тиристоры можно сделать так, чтобы они контролировали среднее значение тока нагрузки переменного тока без рассеивания большого количества энергии. Хорошим примером управления мощностью тиристора является управление электрическим освещением, нагревателями и скоростью двигателя.

В следующем руководстве мы рассмотрим некоторые основные схемы тиристоров и приложения, использующие источники переменного и постоянного тока.

Тиристоры | Теория твердотельных устройств

Тиристоры — это широкая классификация полупроводниковых устройств с биполярной проводимостью, имеющих четыре (или более) чередующихся слоев N-P-N-P.Тиристоры включают: кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), TRIAC, выключатель затвора (GTO), кремниевый управляемый переключатель (SCS), диод переменного тока (DIAC), однопереходный транзистор (UJT), программируемый однопереходный транзистор (PUT). В этом разделе рассматривается только SCR; хотя упоминается GTO.

Шокли предложил четырехслойный диодный тиристор в 1950 году. Он был реализован только спустя годы в компании General Electric. Теперь доступны SCR для регулирования уровней мощности от ватт до мегаватт. Самые маленькие устройства, выполненные как малосигнальные транзисторы, переключают 100 миллиампер при напряжении около 100 В переменного тока.Самые большие упакованные устройства имеют диаметр 172 мм, коммутируют 5600 А при 10 000 В переменного тока. SCR наивысшей мощности может состоять из цельной полупроводниковой пластины диаметром несколько дюймов (100 мм).

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR): (a) профиль легирования, (b) эквивалентная схема BJT.

Кремниевый управляемый выпрямитель представляет собой четырехслойный диод с подключением затвора, как показано на рисунке выше (а).При включении он проводит как диод для одной полярности тока. Если не сработал, он не проводит. Работа поясняется в терминах эквивалента составного подключенного транзистора на рисунке выше (b). Положительный сигнал запуска подается между выводами затвора и катода. Это заставляет транзистор, эквивалентный NPN, проводить. Коллектор проводящего транзистора NPN тянет низкий уровень, перемещая базу PNP в сторону напряжения коллектора, что заставляет PNP проводить. Коллектор проводящего PNP тянет вверх, перемещая основание NPN в направлении его коллектора.Эта положительная обратная связь (регенерация) усиливает уже проводимое состояние NPN. Более того, NPN теперь будет проводить даже при отсутствии стробирующего сигнала. Как только SCR проводит, он продолжает работать до тех пор, пока присутствует положительное анодное напряжение. Для показанной батареи постоянного тока это навсегда. Однако тиристоры чаще всего используются с переменным током или пульсирующим постоянным током. Проводимость прекращается с истечением положительной половины синусоиды на аноде. Более того, наиболее практичные схемы SCR зависят от цикла переменного тока, идущего от нуля до отсечки, или переключает SCR.

На рисунке ниже (а) показан профиль легирования SCR. Обратите внимание, что катод, который соответствует эквивалентному эмиттеру NPN-транзистора, сильно легирован, как указывает N +. Анод также сильно легирован (P +). Это эквивалентный эмиттер PNP-транзистора. Два средних слоя, соответствующие базовым и коллекторным областям эквивалентных транзисторов, менее легированы: N- и P. Этот профиль в мощных тиристорах может быть распределен по всей полупроводниковой пластине значительного диаметра.

Тиристоры: (a) поперечное сечение, (b) символ кремниевого управляемого выпрямителя (SCR), (c) символ запорного тиристора (GTO).

Схематические символы для SCR и GTO показаны на рисунках выше (b и c). Основной символ диода указывает на то, что проводимость от катода к аноду однонаправлена, как у диода. Добавление вывода затвора указывает на контроль проводимости диода. Выключатель выключения затвора (GTO) имеет двунаправленные стрелки вокруг вывода затвора, что указывает на то, что проводимость может быть отключена отрицательным импульсом, а также инициирована положительным импульсом.

В дополнение к повсеместно используемым SCR на основе кремния были произведены экспериментальные устройства из карбида кремния. Карбид кремния (SiC) работает при более высоких температурах и обладает большей теплопроводностью, чем любой металл, уступая алмазу. Это должно позволить использовать устройства с физической мощностью меньше или с большей мощностью.

ОБЗОР:

  • SCR — наиболее распространенный член семейства тиристорных четырехслойных диодов.
  • Положительный импульс, приложенный к затвору тринистора, запускает его в проводимость.Проводимость продолжается, даже если стробирующий импульс удален. Проводимость прекращается только тогда, когда напряжение между анодом и катодом падает до нуля.
  • SCR
  • чаще всего используются с источником переменного тока (или пульсирующим постоянным током) из-за непрерывной проводимости.
  • Выключатель затвора (GTO) может быть выключен подачей отрицательного импульса на затвор.
  • Выключатель SCR мегаватт мощности, до 5600 А и 10 000 В.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Тиристоры высокого напряжения (SCR) и их применение

WeEn Semiconductors, как лидер отрасли в производстве тиристоров, успешно представила высоковольтные тиристоры, охватывающие диапазон 1200–1600 В.Их можно использовать в промышленных приложениях, таких как источники бесперебойного питания (ИБП), твердотельные реле (SSR), накопители энергии и зарядные устройства для аккумуляторов, где требуются высокое блокирующее напряжение и способность выдерживать высокие импульсные токи.

Высоковольтные тиристоры WeEn

SCR, или кремниевый управляемый выпрямитель, определяется как переключающее устройство, имеющее четырехслойную структуру pnpn, приводящую к бистабильному поведению, которое может переключаться между высокоомным, низкотоковым выключенным состоянием и низкоомным, высоким -текущее состояние ВКЛ.SCR — это силовое полупроводниковое устройство, которое может блокировать прямое и обратное напряжение для сети переменного тока и проводить ток в прямом направлении. Его можно рассматривать как переключатель мощности с регулируемым током. Типичная вольт-амперная характеристика (I) — напряжение (V) показана на рисунке 1. Обратное поведение похоже на диод, который входит в область лавинного пробоя, когда обратное напряжение выше, чем напряжение пробоя. При прямом смещении тиристор можно включить, приложив ток триггера затвора или прямое напряжение, превышающее напряжение переключения.

Рисунок 1: Типовая вольт-амперная характеристика SCR

Таблица 1 представляет собой обзор SCR WeEn на 1200–1600 В. Все эти тиристоры рассчитаны на ток от 50 до 80 А и упакованы в TO247 или TO3P для обеспечения возможности работы с большими токами. Благодаря передовой технологии производства плоской пассивации, все SCR WeEn рассчитаны на максимальную температуру перехода Tj (макс.) При 150 ° C, что обеспечивает надежную и надежную работу.

Номер детали VDRM / VRRM
(В)
IT (AV)
(A)

ITSM (A)
@ tp = 10 мс

VT (В)
максимальное значение
IGT (макс.) (A)
максимальное значение
Tj (макс.)
(ºC)
Упаковка
BT155W1200T 1200 50 650 1.30 В при 50 А 50 150 ТО247
BT158W1200T 1200 80 1100 1,35 В при 80 А 70 150 ТО247
TYN60K1400T 1400 60 750 1,35 В при 60 А 80 150 TO3P
TYN50W1600T 1600 50 650 1.3 В при 50 А 80 150 ТО247
TYN80W1600T 1600 80 850 1,47 В при 80 А 80 150 ТО24
Таблица 1: Обзор высоковольтных SCR WeEn Semiconductors: 1200–1600 В

I TSM, максимальный импульсный ток — один из наиболее важных параметров в реальном применении — рассчитан в 10 раз больше, чем расчетный средний ток IT (AV).Это гарантирует, что тиристоры WeEn обладают превосходной стойкостью к импульсным токам для реальных схем применения. Максимальное напряжение в открытом состоянии ниже 1,5 В, что дает преимущество в виде более низких потерь проводимости и меньшего повышения температуры для работающего тиристора.

Пример применения высоковольтного тиристора

SCR действует как переключатель переменного тока в схемах силового преобразователя, который выполняет другие функции по сравнению с полевыми транзисторами (MOSFET) на основе металл-оксид-полупроводников. SCR представляет собой полууправляемый переключатель в том смысле, что он может быть запущен только током затвора и переключается (самоотключение, когда отключение не контролируется), когда ток нагрузки уменьшается ниже, чем ток удержания.

Рисунок 2: Топология онлайн-ИБП с высоковольтными тиристорами

Помимо ИБП, SCR широко используется в твердотельных реле (SSR), зарядных устройствах аккумуляторов, а также в цепях управления резистивной и индуктивной нагрузкой. В современных онлайн-источниках бесперебойного питания (ИБП) как сеть переменного тока, так и резервная батарея постоянного тока необходимы для обеспечения непрерывности выхода при любых условиях. Типичная онлайн-топология ИБП с высоковольтными тиристорами показана на рисунке 2.Типичная форма волны SCR показана на рисунке 3.

Рисунок 3: WeEn SCR: типичная форма волны, используемая в цепи выпрямителя ИБП (фиолетовый: ток SCR1 A-K; желтый: напряжение SCR1 A-K; зеленый: ток сети переменного тока; синий: напряжение SCR2 A-K)

Таким образом, SCR действует как переключатель питания в следующих функциональных блоках:

Схема выпрямителя постоянного / переменного тока

Существует два типа мостовых выпрямителей: диодный мостовой выпрямитель и мостовой выпрямитель SCR.Оба имеют одинаковую функцию преобразования синусоидального тока в выпрямленный синусоидальный волновой ток. В современных импульсных источниках питания функция корреляции коэффициента мощности (PFC) необходима, чтобы заставить ток совпадать по фазе с напряжением, чтобы уменьшить общие гармонические искажения сетевого питания. Затем преобразователем постоянного и переменного тока генерируется очищенное выходное переменное напряжение. В этой топологии ИБП необходим управляемый мостовой выпрямитель, поэтому используется мост SCR.

Цепь зарядки аккумулятора

При нормальной работе от сети переменного тока цепь батареи находится в выключенном состоянии.В аварийной ситуации, когда сетевое питание прерывается, цепь батареи необходимо включить в течение 10 миллисекунд после пропадания напряжения в сети переменного тока. В этой схеме необходим двунаправленный блокирующий переключатель, который можно включить небольшим управляющим сигналом. Помимо этого метода управления, требуются хорошая способность выдерживать скачки тока и долговременная надежность. SCR WeEn на 1200–1600 В соответствуют этим требованиям в этом приложении.

Байпасный контур Статический

Переключатели байпаса используются для обхода нормальной работы ИБП в случае сильного броска тока или неисправности.Переключатели ручного байпаса являются дополнительным преимуществом, позволяющим выполнять обслуживание и отключение в целях безопасности. Из-за рассогласования фаз между входной сетью переменного тока и выходными источниками переменного тока большой пусковой ток может протекать в переключатель байпаса SCR. Все SCR WeEn рассчитаны на ITSM, который в 10 раз превышает номинальный средний ток IT (AV), что обеспечивает превосходную устойчивость к импульсным токам для этого байпасного приложения.

WeEn Semiconductors Высоковольтная технология SCR

На рис. 4 показано поперечное сечение высоковольтного тиристора.Активная область образована четырьмя слоями кремния. Металлические элементы соединения анода, катода и затвора расположены на нижней и верхней поверхности соответственно. SCR функционирует как диод после того, как подается импульсный ток затвора, и ток идет от анода к катоду.

В современных силовых устройствах обычно выбирают соответствующие уровни легирования кремния и толщину кремниевой N-области в активной области, чтобы получить необходимое напряжение пробоя. Однако блокирующий переход должен где-то заканчиваться на поверхности, обычно на верхней поверхности.Если истощение поверхности достигнет края микросхемы, произойдет сбой в надежности. В случае устройств с двойной блокировкой, таких как SCR, если область истощения поверхности достигает противоположного PN-перехода, тогда будет «сквозной» пробой. В обоих случаях необходима подходящая и адекватная пассивация верхней поверхности заделки.

Рисунок 4: Поперечное сечение высоковольтного тиристора (показаны активная и оконечная области)

Наиболее часто используемым диэлектрическим слоем для покрытия концевой области края является термический оксид.Этот термический оксид, выращиваемый в процессе диффузии, должен быть очень высокого качества с низкой плотностью поверхностного состояния и низким зарядом оксида. Альтернативой является полуизолирующий поликремний (сокращенно SIPOS). Это в основном проводник (с очень большим сопротивлением). Будучи проводником, он не может захватывать заряды, и любые присутствующие заряды будут просто перемещаться по проводнику под действием смещения и выходить из устройства в виде тока утечки. Все SCR WeEn имеют планарную структуру и пассивированы SIPOS, что обеспечивает лучшую надежность и долгосрочную стабильность.

Этот метод производства устройств «Планарный процесс» полностью не содержит свинца (Pb), что является еще одним преимуществом по сравнению с более старой, но популярной технологией заделки «Glass Mesa», в которой Pb содержится в стекле. Бессвинцовые производимые SCR будут важным преимуществом для пользователей SCR, поскольку срок действия исключения RoHS истечет в июле 2021 года.

Об авторах

Айбин Ху работает в WeEn Semiconductors, компании, работающей в полупроводниковой промышленности, которая сосредоточена на разработке широкого и обширного портфеля лидирующих в отрасли продуктов для биполярного питания.

Брайан Се имеет степень бакалавра автоматизации в Пекинском университете науки и технологий. Брайан Се в настоящее время работает менеджером по глобальным продуктам в WeEn Semiconductors с ноября 2015 года.

Эта статья изначально была опубликована в журнале Bodo’s Power Systems.

Что такое тиристор? Различные типы тиристеров ..

Содержание

          • # Технические исследования — исследование 11
  • Введение
    • Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR):
      • Выключение
      • SCR: Выключение
      • SCR: прерывание:
      • Принудительная связь:
      • VI характеристики SCR:
      • Разница между FET и SCR:
      • Двунаправленный тиристор:
      • DIAC:
      • TRIAC:
# Технические исследования- исследование 11

Введение

Тиристор — однонаправленный полупроводниковый прибор.Это позволяет току течь только в одном направлении, как диоды. SCR и TRIAC являются основные тиристоры. Он работает только в двух состояниях: открытом или закрытом, как защелка. Так что его можно использовать для переключения приложений.

На рисунке ниже показана эквивалентная схема тиристора.

Эквивалентная схема тиристора

В цепи T1 — транзистор PNP, а T2 — транзистор NPN. База T1 подключена к коллектору T2, а база T2 подключена к коллектору T1.

Чтобы включить эту схему, нам нужно применить большой Vcc к T1. Это заставит ток течь в коллекторе T1. Из-за этого база ток Т2 увеличится. При срабатывании T2 он будет обеспечивать обратную связь. к Т1. Поэтому оба транзистора переведены в режим насыщения. Этот процесс включения тиристора называется методом отключения.

Для отключения этой цепи необходимо уменьшить подачу напряжение до нуля. Это переведет транзистор в режим отсечки.Этот процесс отключение тиристора называется методом слаботочного отключения.

Thyrister также называют четырехслойным диодом, рисунок ниже показана конструкция тиристора.

Устройство тиристора Тиристор Обозначение

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR):

Чаще всего используется выпрямитель с кремниевым управлением. тиристор. Он используется в приложениях для переключения очень больших токов. Мы учились что тиристор может быть включен методом прерывания и выключен с использованием метода слаботочного отключения.

У нас может быть второй способ включения тиристора, добавив вывод к базе второго транзистора тиристора для срабатывания триггера. Это то, что называется SCR, означает, что SCR — это четырехслойный диод с пусковым выводом. Этот терминал называется воротами. Таким образом, SCR имеет три вывода: триггерный затвор, анод и катод.

См. Рисунок ниже для лучшего понимания.

Эквивалентная схема SCR Структура SCR Символ SCR
Срабатывание SCR: Срабатывание SCR

См. Рисунок выше; триггерный сигнал подается на гейт.Это увеличивает базовый ток T2, и начинается положительная обратная связь. Поэтому устройство приводится в насыщенность. Это включает SCR.

Поскольку терминал ворот подключен к основанию Для срабатывания тринистора требуется минимум 0,7 В. транзистора.

Отключение SCR:

Когда сигнал триггера применяется к SCR, он включается, но когда сигнал триггера выключен, SCR не переходит в выключенное состояние. Так что требует дополнительных усилий для переключения SCR.

Путем уменьшения Vcc можно уменьшить анодно-катодный ток. ниже удерживающего тока (низкое значение тока, при котором транзистор управляет насыщенность до отсечки). Это отключит SCR.

Есть еще два метода выключения SCR.

  1. Прерывание тока
  2. Принудительная связь
Прерывание тока:

В этом методе мы можем либо разомкнуть последовательный переключатель над анодом, либо замкнуть параллельный переключатель на анод и катод.

Выключение SCR путем размыкания последовательного переключателя Выключение SCR путем замыкания параллельного переключателя
Принудительная связь:

В этом методе тиристор подключен с обратным смещением. Это уменьшает ток удержания, и тиристор отключается.

Отключение SCR с использованием принудительной связи
VI характеристики SCR: График текущего напряжения SCR

На приведенном выше рисунке показано соотношение между током и напряжением в SCR.

Разница между полевым транзистором и SCR:
FET SCR
  • Напряжение затвора может включать и выключать устройство.
  • Напряжение затвора может включать только устройство.
  • Когда вход высокий, выход низкий, а когда вход низкий, выход высокий.
  • Когда вход высокий, выход низкий, а когда вход низкий, выход остается низким.
  • Аналогичен кнопочному переключателю.
  • Аналогичен однополюсному однополюсному переключателю.
Двунаправленный тиристор:

SCR — однонаправленное устройство. DIAC и TRIAC являются двунаправленные тиристоры. Эти устройства могут управлять в обоих направлениях.

DIAC:

На приведенном выше рисунке показана эквивалентная схема DIAC.Это устройство представляет собой комбинацию двух четырехслойных диодов с обратным параллельным соединением. Как и четырехслойные диоды, DIAC также включается методом пробоя.

Символ DIAC Эквивалентная схема DIAC
TRIAC:

TRIAC — это комбинация двух тиристоров, включенных в обратную параллель. связь. Он может контролировать ток в обоих направлениях.

Эквивалентная схема TRIAC TRIAC Symbol

Пожалуйста, напишите в поле для комментариев ниже, если у вас есть какие-либо вопросы.

Поделиться:

  • Нажмите, чтобы поделиться в Twitter (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Facebook (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в LinkedIn (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться на Pinterest (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в WhatsApp (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Skype (Открывается в новом окне)

Как это:

Нравится Загрузка…

Связанные

Тиристорный или кремниевый выпрямитель (SCR)

Кремниевый управляемый выпрямитель ( SCR ) представляет собой однонаправленное полупроводниковое устройство, изготовленное из кремния. Это устройство является твердотельным эквивалентом тиратрона и, следовательно, его также называют тиристором или тироидным транзистором . Фактически, SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​- это торговое название, данное тиристору компанией General Electric.По сути, SCR представляет собой трехконтактный четырехслойный полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся слоев материала p-типа и n-типа.

Следовательно, он имеет три pn перехода: J 1 , J 2 и J 3 . На рисунке ниже показана SCR со слоями p-n-p-n. Устройство имеет клеммы анод (A), катод (K) и затвор (G). Вывод затвора (G) прикреплен к p-слою ближе к выводу катода (K).

Символ SCR или тиристора показан на рисунке ниже.

SCR можно рассматривать как два взаимосвязанных транзистора, как показано ниже.

Видно, что один SCR представляет собой комбинацию одного pnp-транзистора (Q 1 ) и одного npn-транзистора (Q 2 ). Здесь эмиттер Q 1 действует как анодный вывод SCR, а эмиттер Q 2 — его катод. Далее, база Q 1 соединена с коллектором Q 2 , а коллектор Q 1 соединена с базой Q 2 .Вывод затвора SCR также подключен к базе Q 2 .

Работу SCR можно понять, проанализировав его поведение в следующих режимах:

Режим обратной блокировки SCR

В этом режиме SCR имеет обратное смещение путем подключения его анодного вывода (A) к отрицательному концу и катоду клемму (K) к положительному полюсу аккумуляторной батареи. Это приводит к обратному смещению переходов J 1 и J 3 , что, в свою очередь, запрещает протекание тока через устройство, несмотря на то, что переход J 2 остается в прямом смещенном состоянии.В этом состоянии SCR ведет себя как обычный диод. В этом состоянии обратного смещения через устройство протекает только обратный ток насыщения, как в случае обратного смещения диода, который показан на характеристической кривой синей линией. Устройство также демонстрирует явление обратного пробоя за пределами безопасного обратного предела напряжения, как и диод.

Режим прямой блокировки SCR

Здесь положительное смещение применяется к SCR путем подключения анодного вывода (A) к положительному, а катодного вывода (K) к отрицательному выводу батареи, как показано на рисунке ниже.В этом случае переход J 1 и J 3 смещается вперед, а переход J 2 смещается в обратном направлении.

Здесь также ток не может проходить через тиристор, за исключением крошечного тока, протекающего как ток насыщения, как показано синей кривой на характеристической кривой ниже.

Режим прямой проводимости SCR

SCR можно заставить проводить либо
(i), увеличивая положительное напряжение, подаваемое на анодном выводе (A) сверх напряжения отключения, В B или
(ii) посредством подайте положительное напряжение на вывод затвора (G), как показано на рисунке ниже.

В первом случае увеличение приложенного смещения вызывает пробой первоначально смещенного в обратном направлении перехода J 2 в точке, соответствующей прямому перенапряжению пробоя, V B . Это приводит к внезапному увеличению тока, протекающего через SCR, как показано розовой кривой на характеристической кривой, хотя вывод затвора SCR остается несмещенным.

Тем не менее, тиристор также можно включить при гораздо меньшем уровне напряжения, подав небольшое положительное напряжение на выводе затвора.Причину этого можно лучше понять, рассмотрев эквивалентную схему транзистора SCR, показанную на рисунке ниже.

Здесь видно, что при подаче положительного напряжения на вывод затвора транзистор Q 2 включается, и ток его коллектора течет в базу транзистора Q 1 . Это приводит к включению Q 1 , что, в свою очередь, приводит к протеканию тока его коллектора на базу Q 2 .

Это вызывает насыщение любого транзистора с очень высокой скоростью, и действие не может быть остановлено даже путем снятия смещения, приложенного к выводу затвора, при условии, что ток через SCR больше, чем ток фиксации.Здесь ток фиксации определяется как минимальный ток, необходимый для поддержания SCR в проводящем состоянии даже после того, как импульс затвора удален.

В таком состоянии говорят, что тиристор зафиксирован, и не будет никаких средств для ограничения тока через устройство, кроме как с помощью внешнего импеданса в цепи. Это требует использования различных методов, таких как естественная коммутация, принудительная коммутация или отключение обратного смещения и отключение затвора, чтобы выключить проводящий тиристор.

В основном, все эти методы направлены на снижение анодного тока ниже тока удержания. Ток удержания определяется как минимальный ток для поддержания SCR в проводящем режиме.

Подобно методам выключения, существуют также различные методы включения для SCR, такие как запуск сигналом затвора постоянного тока, запуск сигналом затвора переменного тока и запуск импульсным сигналом затвора, запуск по прямому напряжению, запуск затвора, dv / dt Запуск, запуск по температуре и световой запуск.

Существует множество вариантов устройств SCR, а именно: тиристор с обратной проводимостью (RCT), тиристор с выключенным затвором (GTO), тиристор с автоматическим отключением с помощью затвора (GATT), асимметричный тиристор, тиристоры со статической индукцией (SITH), MOS Controlled Тиристоры (MCT), светоактивные тиристоры (LASCR) и т. Д. Обычно тиристоры имеют высокую скорость переключения и могут выдерживать сильный ток. Это делает тиристор (SCR) идеальным для многих приложений, таких как

  1. Цепи переключения питания (как для переменного, так и для постоянного тока)
  2. Цепи переключения при нулевом напряжении
  3. Цепи защиты от перенапряжения
  4. Управляемые выпрямители
  5. Инверторы
  6. Управление мощностью переменного тока (включая фары, моторы и т. д.)
  7. Импульсные цепи
  8. Регулятор заряда аккумулятора
  9. Блокировочные реле
  10. Компьютерные логические схемы
  11. Блоки дистанционного переключения
  12. Контроллеры с синхронизацией по фазе
  13. Цепи синхронизации
  14. Цепи управления сваркой
  15. ИС
  16. Контроль температуры

12 тиристоров различных типов

Тиристоры — это высокоскоростные полупроводниковые переключающие устройства, состоящие из четырех слоев чередующихся материалов p- и n-типа.Они используются в приложениях переключения переменного / постоянного тока и управления мощностью переменного тока. Символ тиристора — это символ диода, который имеет три вывода: затвор, анод и катод.

Различные типы тиристоров и их обозначения

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)

Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR)

— один из наиболее часто используемых тиристоров. Это быстродействующие полупроводниковые коммутационные устройства. Они похожи на диоды Шокли, но с дополнительной клеммой. Материал, выбранный для изготовления SCR — кремний.SCR работает как кремниевый выпрямительный диод с анодом и катодом.

Анод — это положительный вывод, а катод — отрицательный вывод SCR. Он состоит из четырех слоев чередующегося материала типа P и N. Он также имеет дополнительный терминал управления, называемый воротами. Наличие затвора позволяет активировать SCR в проводимости. Это однонаправленное устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении и противодействует потоку в противоположном направлении.

SCR может быть включен либо при превышении напряжения прямого прерывания, либо при токе затвора. Ток затвора контролирует величину перенапряжения прямого разрыва, необходимого для включения тиристора.

Напряжение / импульс триггера прикладывается к выводу затвора, когда анод и катод смещены в прямом направлении. Это переключает SCR в «проводящее» состояние. Затем ток течет между анодом и катодом. Когда тиристор проводит ток триггера, он будет продолжать течь, даже если клемма затвора будет удалена.Когда анод и катод находятся в обратном смещении, тиристор не будет проводить, даже если на вывод затвора будет подан пусковой импульс.

Подробнее: Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) подробно

Тиристор с двунаправленным управлением (BCT)

В двунаправленном тиристоре управления используются два тиристора SCR, которые имеют антипараллельную конфигурацию, образуя единое устройство. Как видно из конструкции, он имеет два отдельных вывода затвора для каждого из тиристоров.Один вывод затвора включает ток в прямом направлении, а второй вывод затвора включает ток в противоположном направлении.

Два тиристора работают независимо друг от друга. Одной из основных проблем, с которыми пришлось столкнуться при создании BCT, были перекрестные помехи между обоими транзисторами. Поэтому была создана фотошаблона для предотвращения воздействия вредных перекрестных помех при работе BCT.

Затвор выключения тиристора (GTO)

Символ GTO

Тиристор выключения затвора — это тип тиристора, который может включать и выключать основной ток с помощью схемы управления затвором.GTO состоит из двух слоев материала P-типа и двух слоев материала N-типа в формате PNPN. Они используются в сильноточных и высокоскоростных коммутационных устройствах, в том числе в цепях прерывателей и инверторах.

В тиристорах этого типа слой n + на катодном конце сильно легирован. Это увеличивает эффективность эмиттера, что приводит к низкому напряжению пробоя на переходе 3. Для поддержания высокой эффективности эмиттера уровень легирования затвора p-типа является низким. Переход между анодом P + и базой N также известен как анодный переход.

Для того, чтобы GTO оставался в состоянии «ВКЛ», анодная область P + должна быть сильно легирована. Это обеспечивает более высокий КПД на анодном переходе. Он включается, когда на вывод затвора подается положительное напряжение. Его также можно выключить при подаче отрицательного напряжения на вывод затвора. Устройство не защелкивается и требует не менее 1% триггерного напряжения, чтобы оставаться в состоянии проводимости.

Однако, когда GTO имеет сильно легированную анодную область P, то возможности выключения становятся скомпрометированными.Для того чтобы тиристор имел хорошие отключающие свойства, легирование области затвора P + и слоя N + между анодом должно быть сильно легированным.

MOS Тиристор выключения (MTO)

Чтобы преодолеть ограничения GTO, Silicon Power Company разработала MOS Turn-Off Thyristor или MTO, объединив GTO и MOSFET. MTO обеспечивает те же функции, что и GTO, но для включения и выключения требуется только напряжение уровня сигнала. Кроме того, структура MCT почти аналогична структуре GTO.

Тиристор с МОП-управлением (MCT)

Тиристор, управляемый МОП-схемой, представляет собой полупроводниковое устройство, которое объединяет ток и напряжение тиристора с включением или выключением затвора МОП. Это высокочастотное устройство с низким падением проводимости и высокой мощностью, которое используется для приложений средней и высокой мощности.

Структура имеет три перехода: анод, катод и затвор. Слои PNPN зажаты между анодом и катодом. Тиристор включается при подаче отрицательного триггерного напряжения на затвор по отношению к аноду.Он будет отключен, когда на затвор по отношению к аноду приложено положительное триггерное напряжение. Он подходит для таких приложений, как моторные приводы, статические VAR-компенсаторы, источники бесперебойного питания и т. Д.

Светоактивированный кремний — управляемый выпрямитель (LASCR)

LASCR — это тип SCR, который запускается с помощью источника света, такого как светодиод. Он состоит из трех выводов: катода, анода и затвора. Триггерный ток инициируется через источник света, когда частицы фотона попадают в переход, образуя электронно-дырочные пары.Этот ток запуска подается на LASCR, который активирует клемму затвора, и, следовательно, ток течет через устройство. Это также помогает предотвратить возникновение электрических помех. Цепь питания и цепь источника света электрически изолированы LASCR.

Тиристор изготовлен из кремния. Стеклянная линза в LASCR фокусирует свет от источника света на полупроводниковом устройстве. Таблетка кремния расположена внизу тиристорного устройства.Устройство переходит в состояние проводимости, когда интенсивность света вытесняет электроны в кристалле полупроводника.

Тиристор статической индукции (SITH)

Тиристор статической индукции также известен как диод с полевым управлением. Он позволяет проводить большие токи с низким прямым напряжением и быстро отключаться. Это высокочастотный силовой полупроводниковый прибор.

Символ ситхов

Устройство находится в состоянии «ВКЛ», если анод положительный и напряжение затвора равно 0.Это заставляет устройство вести себя как диод, где ток может течь без каких-либо препятствий. Когда переход P + N смещен в прямом направлении, в область N вводятся отверстия, что ограничивает проводимость устройства. Слой обеднения блокирует анодный ток, когда затвор находится в обратном смещении относительно катода. Это выключит устройство.

TRIAC

Символ ТРИАК

TRIAC — это трехконтактный тиристор, который при правильной активации может проводить ток в обоих направлениях, что используется в приложениях переключения переменного тока.В TRIAC два тиристора SCR подключены параллельно и в противоположных направлениях друг к другу с общим выводом затвора. Это позволяет ему проводить ток в обоих направлениях при подаче триггерного напряжения.

Тиристор выключения эмиттера (ETO)

Символ ETO

Этот тип тиристора представляет собой гибридное МОП-биполярное полупроводниковое устройство большой мощности, которое состоит из двух полевых МОП-транзисторов N и двух полевых МОП-транзисторов P, а также функций высокого напряжения и тока GTO. N MOS подключается последовательно к катодному выводу, а P MOS подключается между катодом и выводом затвора устройства.Из рисунка видно, что он имеет два вывода затвора.

Один терминал ворот включает устройство, а другой выключает устройство. Положительное напряжение затвора на обоих затворах включает N-MOS и выключает P-MOS, таким образом, включает устройство. Его можно выключить, подав отрицательное напряжение затвора на затвор N-MOS. Это позволяет остаточной несущей проходить через P-MOS, что позволяет быстро переключаться между двумя состояниями.

Тиристор со встроенным затвором (IGCT)

Символ IGCT

IGCT — это выключатель, управляемый затвором, который имеет свойства, аналогичные свойствам транзистора.Его проводимость похожа на тиристор, но он отключается, как транзистор. Потери проводимости для тиристоров этого типа также очень низкие.

В состав IGCT входит тиристор с коммутируемым затвором (GCT). Он имеет многослойную печатную плату, которая управляет цепью. GCT — это переключающее устройство, которое использует быстрый и большой импульс тока для отвода тока от катода GCT. Это обеспечивает «быстрое выключение». Для проведения реактивной нагрузки в GCT присутствует встроенный диод.Для включения IGCT необходимо обеспечить ток затвора.

Тиристор с автоматическим затвором (GATT)

Этот тип тиристора используется в электронике, требующей быстрого отключения. Отрицательное напряжение затвора применяется для облегчения процесса выключения. Это также снижает напряжение между анодом и катодом. Когда прикладывается обратное напряжение затвора, неосновные носители, накопленные в базовой области n-типа, истощаются. Это гарантирует, что переход затвор-катод не смещен вперед, что ускоряет процесс выключения.

Сравнение различных тиристоров

BCT
Тип Управление затвором Частота переключения Максимальное номинальное напряжение
SCR Ток для управления включением и выключением Обычно 60 Гц 1,5 кВ Ток включения и выключения Обычно 60 Гц 6,5 кВ
GTO Ток включения и выключения Обычно 5 кГц 4.5 кВ
MTO Импульс тока для включения и импульс напряжения для выключения Обычно 5 кГц 10 кВ
MCT Два затвора, один для включения и один для выключения Обычно 5 кГц 4,5 кВ
LASCR Световой сигнал для включения и выключения управления Обычно 60 Гц 6,5 кВ
SITH Два поворотных затвора включен и один для выключения Обычно 100 кГц 2.5 кВ
TRIAC Ток для включения и выключения управления Обычно 60 Гц 1,2 кВ
ETO Два затвора, один для включения и один для выключения Обычно 5 кГц 4,5 кВ
IGCT Два затвора, один для включения и один для выключения Обычно 5 кГц 5 кВ

44. Поведение тиристоров / симисторов | Chip One Stop

Оба являются выпрямительными устройствами для управления электроэнергией.
Симистор — это устройство с двунаправленным управлением, а тиристор — одиночный
направление контролируется.

Основные характеристики тиристора

Тиристор (Thyristor) — это полупроводниковый выпрямительный элемент с тремя выводами, который может проводить между анодом (A) и катодом (K), отводя ток затвора от затвора (G) к катоду (K). Он называется SCR (кремниевый выпрямитель). Принятая структура представляет собой структуру pnpn, которая ламинирует полупроводник в порядке p-типа, n-типа, p-типа и n-типа.Элемент, который выводит вывод затвора из полупроводника p-типа, называется продуктом затвора p, а элемент, который выводит вывод затвора из полупроводника n-типа, называется продуктом n затвора. В принципе, это эквивалентно многократной схеме, в которой транзистор pnp сочетается с транзистором npn, как показано на рисунке. Давайте посмотрим на подробную операцию. Проводимость продолжается, как есть, когда определенный ток течет от затвора путем проведения (включения) между анодом и катодом. Необходимо уменьшить ток между анодом и анодом, меньший или равный постоянному значению, чтобы остановить (повернуть на) проводящее состояние.Сохранение таких характеристик после переключения в проводящее состояние используется как необходимость поддержания проводящего состояния до тех пор, пока транзитный ток не станет равным нулю (0).

Симистор

Хотя тиристор является элементом для управления выключением / включением в одном направлении, и именно этот элемент является симистором (TRIAC), который улучшает это и делает возможным двустороннее управление выключением / включением. Симистор — это элемент, который заставляет электрический ток протекать в двух направлениях за счет встречно-параллельного соединения двух тиристоров.Однако на самом деле это монолитная структура, как показано на рисунке, а не просто состоящая из соединения двух тиристоров. Кроме того, Triac (TRIAC) — это сокращение от «Triode AC Switch», которое является названием продукта, когда US General Electric (General Electric) Co . продан на рынке как пионер в 1964 году.

Максимальный номинал тиристора

Терминология Символ Блок Пояснение

Повторяющееся пиковое напряжение в выключенном состоянии

В

Максимальное значение напряжения, повторяющееся между A-K

Пиковое повторение обратного напряжения

В

Максимальное значение обратного напряжения, повторяющееся между A-K

Неповторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии

В

Неповторяющееся максимальное значение напряжения между A-K

Пиковое неповторяющееся обратное напряжение

В

Неповторяющееся максимальное значение обратного напряжения между A-K

Среднее по текущему

А

Средний ток включения, который может потребляться непрерывно

RMS прямой ток

А

Постоянно отображаемое действующее значение тока включения

Пиковое рассеивание затвора

Вт

Максимальное мгновенное значение потребления электроэнергии воротами

Средняя потеря мощности затвора

Вт

Среднее значение допустимой потребляемой мощности затвора

Электрическая характеристика тиристора

Терминология Символ Блок Пояснение

Пиковое прямое напряжение затвора

В

Пиковое напряжение прямого затвора между затвором и катодом.

Пиковое обратное напряжение затвора

В

Пиковое напряжение обратного затвора между G-K

Пиковый прямой ток затвора

А

Пиковый прямой ток затвора между G-K

Пиковое напряжение

В

Максимальное значение напряжения, приложенного между A-K в состоянии ВКЛ.

Напряжение срабатывания затвора

В

Минимальное напряжение затвора для включения

Ток срабатывания затвора

А

Минимальный ток затвора для включения

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *