Тиристори - це що таке? Принцип роботи та характеристики тиристорів

Тиристори – це силові електронні ключі, керовані не повністю. Нерідко в технічних книгах можна побачити ще одна назва цього приладу – одноопераційний тиристор. Іншими словами, під впливом керуючого сигналу він переводиться в одне стан – проводить. Якщо конкретизувати, то він включає ланцюг. Щоб вона вимикалася, необхідно створити спеціальні умови, які забезпечують падіння прямого струму в ланцюзі до нульового значення.

Особливості тиристорів

Тиристорні ключі проводять електричний струм тільки в прямому напрямку, причому в закритому стані він витримує не тільки пряме, але і зворотне напруга. Структура тиристора чотиришарова, є три висновки:

Анод (позначається літерою А).

Катод (буквою С або К).

Керуючий електрод (або G).

У тиристорів є ціле сімейство вольт-амперних характеристик, по них можна судити про стан елемента. Тиристори – це дуже потужні електронні ключі, вони здатні проводити комутацію ланцюгів, в яких напруга може досягати 5000 вольт, а сила струму - 5000 ампер (при цьому частота не перевищує 1000 Гц).

Робота тиристора в ланцюгах постійного струму

Звичайний включається тиристор шляхом подачі струмового імпульсу на керуючий висновок. Причому він повинен бути позитивним (по відношенню до катода). Тривалість перехідного процесу залежить від характеру навантаження (індуктивна, активна), амплітуди й швидкості наростання в ланцюзі управління імпульсу струму, температури кристала напівпровідника, а також прикладеної струму і напруги на наявні в схемі тиристори. Характеристики схеми безпосередньо залежать від виду використовуваного напівпровідникового елемента.
В тій ланцюга, в якій знаходиться тиристор, неприпустимо виникнення великій швидкості наростання напруги. А саме такого значення, при якому відбувається мимовільне включення елемента (навіть якщо немає сигналу в ланцюзі управління). Але одночасно з цим в сигналу керування повинна бути дуже висока крутизна характеристики.

Способи виключення

Можна виділити два типу комутації тиристорів:

Природна.

Примусова.

А тепер більш докладно про кожен вид. Природна виникає тоді, коли тиристор працює в ланцюзі змінного струму. Причому відбувається ця комутація тоді, коли струм спадає до нульового значення. А от здійснити примусову комутацію можна великою кількістю різних способів. Яке керування тиристором вибрати, вирішувати розробнику схеми, але варто поговорити про кожний тип окремо. Найбільш характерним способом примусової комутації є підключення конденсатора, який був заздалегідь заряджений за допомогою кнопки (ключа). LC-ланцюг включається в схему керування тиристором. Ця ланцюжок і містить повністю заряджений конденсатор. При перехідному процесі в навантажувальною ланцюга відбуваються коливання струму.

Способи примусової комутації

Існує ще кілька типів примусової комутації. Нерідко застосовують схему, в якій використовується комутуючих конденсатор, що має зворотну полярність. Наприклад, цей конденсатор може включатися в ланцюг за допомогою будь-якого допоміжного тиристора. При цьому відбудеться розряд на основний (робочий) тиристор. Це призведе до того, що у конденсатора струм, спрямований назустріч прямому струму основного тиристора, буде сприяти зниженню струму в ланцюзі аж до нуля. Отже, відбудеться вимкнення тиристора. Це відбувається з тієї причини, що пристрій тиристора має свої особливості, характерні тільки для нього.
Існують також схеми, в яких підключаються LC-ланцюга. Вони розряджаються (причому з коливаннями). На самому початку струм розряду тече назустріч робочого, а після зрівнювання їх значень відбувається вимикання тиристора. Після коливальної ланцюжка струм перетікає через тиристор в напівпровідниковий діод. При цьому, доки тече струм, до тиристору прикладається певне напруження. Воно по модулю дорівнює падінню напруги на діоді.

Робота тиристора в ланцюгах змінного струму

Якщо тиристор включити в ланцюг змінного струму, можна здійснити такі операції:

Включити або відключити електричний ланцюг з активно-резистивної або активним навантаженням.

Змінити середнє та діюче значення струму, який проходить через навантаження, завдяки можливості регулювати момент подачі сигналу керування.

У тиристорних ключів є одна особливість – вони проводять струм тільки в одному напрямку. Отже, якщо необхідно використовувати їх в ланцюгах змінного струму, доводиться застосовувати зустрічно-паралельне включення. Діючі й середні значення струму можуть змінюватися з-за того, що момент подачі сигналу на тиристори різний. При цьому потужність тиристора повинна відповідати мінімальним вимогам.

Фазовий метод управління

При фазовому методі управління з комутацією примусового типу відбувається регулювання навантаження завдяки зміні кутів між фазами. Штучну комутацію можна здійснити за допомогою спеціальних ланцюгів, або ж необхідно використовувати повністю керовані (блокування) тиристори. На їх основі, як правило, виготовляють зарядний пристрій на тиристорі, яке дозволяє регулювати силу струму в залежності від рівня зарядки акумуляторної батареї.

Широтно-імпульсне управління

Називають його ще ШІМ-модуляцією. Під час відкриття тиристорів подається сигнал управління. Переходи відкриті, а на навантаженні є деяка напруга. Під час закриття (протягом усього перехідного процесу) не подається сигнал управління, отже, тиристори не проводять струм. При здійсненні фазового управління струмова крива не синусоидальна, відбувається зміна форми сигналу напруги живлення. Отже, відбувається порушення роботи споживачів, які чутливі до високочастотних перешкод (з'являється несумісність). Нескладну конструкцію має регулятор на тиристорі, який без проблем дозволить змінити необхідну величину. І не потрібно застосовувати масивні ЛАТРи.

Тиристори замикаються

Тиристори – це дуже потужні електронні ключі, які використовуються для комутації високих напруг і струмів. Але в них є один величезний недолік – управління неповне. А якщо конкретніше, то це проявляється тим, що для відключення тиристора потрібно створювати умови, при якому прямий струм буде знижуватися до нуля. Саме ця особливість накладає деякі обмеження на використання тиристорів, а також ускладнює схеми на їх основі. Щоб позбутися такого роду недоліків, були розроблені спеціальні конструкції тиристорів, які замикаються сигналом по одному електроду управління. Їх називають двухоперационними, або замикаються, тиристорами.

Конструкція замикається тиристора

Чотиришарова структура р-п-р-п у тиристорів має свої особливості. Вони надають їм відмінності від звичайних тиристорів. Мова зараз йде про повної керованості елемента. Вольт-амперна характеристика (статична) при прямому напрямку така ж, як і у простих тиристорів. Ось тільки прямий струм тиристор може пропускати куди більший за значенням. Але функції блокування великих зворотних напруг у замикаються тиристорів не передбачено. Тому необхідно з'єднувати його зустрічно-паралельно з напівпровідниковим діодом. Характерна особливість замикається тиристора – це значне падіння прямих напруг. Щоб зробити відключення, слід здійснити подачу на керуючий висновок потужного імпульсу струму (негативного, у співвідношенні 1:5 до прямому значенню струму). Але тільки тривалість імпульсу повинна бути якомога меншою – 10 100 мкс. Замикаються, тиристори мають більш низьким значенням граничного напруги і струму, ніж звичайні. Різниця становить приблизно 25-30 %.

Види тиристорів

Вище були розглянуті замикаються, але існує ще чимало типів напівпровідникових тиристорів, про яких також варто згадати. У найрізноманітніших конструкціях (зарядні пристрої, перемикачі, регулятори потужності) використовуються певні типи тиристорів. Десь потрібно, щоб управління проводилося шляхом подачі потоку світла, отже, використовується оптотиристор. Його особливість полягає в тому, що в ланцюзі управління використовується кристал напівпровідника, чутливий до світла. Параметри тиристорів різні, у всіх свої особливості, характерні лише для них. Тому потрібно хоча б у загальних рисах уявляти, які види цих напівпровідників існують і де вони можуть застосовуватися. Отже, ось весь список і основні особливості кожного типу:

Діод-тиристор. Еквівалент елемента – тиристор, до якого підключений зустрічно-паралельно напівпровідниковий діод.

Діністор (діодний тиристор). Він може переходити в стан повної провідності, якщо перевищується певний рівень напруги.

Сімістор (симетричний тиристор). Його еквівалент – два тиристори, включених зустрічно-паралельно.

Тиристор інверторний швидкодіючий відрізняється високою швидкістю комутації (5 50 мкс).

Тиристори з управлінням польовим транзистором. Часто можна зустріти конструкції на основі МДН-транзисторів.

Оптичні тиристори, які управляються потоками світла.

Здійснення захисту елемента

Тиристори – це прилади, які критичні до швидкостей наростання прямого струму і прямого напруги. Для них, як і для напівпровідникових діодів, характерне таке явище, як протікання зворотних струмів відновлення, яке дуже швидко і різко спадає до нульового значення, посилюючи цим ймовірність виникнення перенапруги. Це перенапруження є наслідком того, що різко припиняється струм у всіх елементах схеми, які мають індуктивність (навіть надмалі індуктивності, характерні для монтажу проводу, доріжки плати). Для здійснення захисту необхідно використовувати різноманітні схеми, що дозволяють в динамічних режимах роботи захиститися від високих напруг і струмів. Як правило, індуктивний опір джерела напруги, який входить в ланцюг працюючого тиристора, має таке значення, що його більш ніж достатньо для того, щоб надалі не включати в схему деяку додаткову індуктивність. З цієї причини на практиці частіше використовується ланцюжок формування траєкторії переключення, яка значно знижує швидкість і рівень перенапруження в схемі при відключенні тиристора. Емкостно-резистивні ланцюжка найбільш часто використовуються для цих цілей. Вони включаються з тиристором паралельно. Є досить багато видів схемотехнічних модифікацій таких ланцюгів, а також методик їх розрахунків, параметрів для роботи тиристорів в різних режимах і умовах. А ось ланцюг формування траєкторії переключення замикається тиристора буде така ж, як і у транзисторів.