Устройство и принцип действия тиристора

Устройство и принцип действия тиристора

Структура тиристора

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

Устройство и принцип действия тиристора

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

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

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

Динисторное включение тиристора

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

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

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

Устройство и принцип действия тиристора

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

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

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

Устройство и принцип действия тиристора

Режим обратного запирания тиристора

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

Физические процессы

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

Устройство и принцип действия тиристора

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

Устройство и принцип действия тиристора

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

Читайте также:  Как сделать нож из диска циркулярной пилы

3 thoughts on “ Тиристор принцип работы ”

Про теристоры прекрасная статья! Все коротко и ясно. Заменяет часы просмотра сайтов с конспектами сложных лекций и целую вечность пустых видео на ютубе.
Спасибо!

а как же управление тиристорами пачками импульсов

Популярные отечественные и зарубежные тиристоры. Справочные данные.
Простейшие схемы тиристорных регуляторов.

Тиристор — это довольно архаичный полупроводниковый прибор, ранее широко применявшийся в качестве силового ключа для управления мощной нагрузкой.
И хотя в настоящее время данный элемент уступает свои позиции симисторам (в цепях переменного тока) и силовым транзисторным ключам (в цепях постоянного тока), кривая совокупного радиолюбительского интереса к устройствам, выполненным на тиристорах, всё ещё находится на достаточно высоком уровне.
Приобщимся к процессу получения знаний, касающихся характеристик, принципов работы, а также способов управления тиристорами, и мы.

Итак.
Тиристор — это трёхвыводной полупроводниковый прибор, с тремя (иногда четырьмя) p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния:
— состояние низкой проводимости (закрытое состояние);
— состояние высокой проводимости (открытое состояние)
.

Устройство и принцип действия тиристораУстройство и принцип действия тиристора
Рис.1

На Рис.1 показано устройство тиристора и двухтранзисторная эквивалентная модель, позволяющая пояснить работу прибора в режиме прямого запирания.
Добавим для кучи вольт-амперную характеристику тиристора и схему, реализующую самый простой способ управления тиристорами — подачу на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (Рис.2).

Устройство и принцип действия тиристораУстройство и принцип действия тиристора
Рис.2

1. Для начала рассмотрим случай, когда управляющий электрод тиристора отключен (S1 на схеме разомкнут, Iу на ВАХ равен 0).
Тока через нагрузку нет (участок III на ВАХ), тиристор закрыт, и для того, чтобы его открыть, необходимо поднять напряжение на аноде тиристора настолько, чтобы возник лавинный пробой p-n-переходов полупроводника.
Оговоримся — зафиксировать нам этот процесс не удастся, потому что величина этого напряжения составляет несколько сотен вольт и, как правило, превышает амплитудное значение напряжения сети.
Тем не менее — при достижении этого уровня напряжения (точка II на ВАХ) тиристор отпирается, падение напряжения между анодом и катодом падает до единиц вольт, нагрузка подключается к сети — наступает рабочий режим открытого тиристора (участок I на ВАХ).
Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на аноде) ниже тока удержания. Причём данное анодное напряжение должно быть многократно ниже отпирающего напряжения.

2. Для того, чтобы снизить величину напряжения включения тиристора, следует замкнуть S1 и, тем самым, подать на управляющий электрод ток, задаваемый значением переменного резистора R1. Чем больше ток Iу, тем при меньшем анодном напряжении происходит переключение тиристора в проводящее состояние.
А при какой-то величине тока управляющего электрода, называемой током спрямления (на ВАХ не показано), горба на характеристике больше не будет, и ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода.
Абсолютно так же, как и в прошлом случае, чтобы закрыть тиристор необходимо снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на аноде) ниже значения тока удержания.

Обратная часть вольт-амперной характеристики (участок IV) соответствует режиму обратного запирания полупроводника и обычно не используется. Тиристор остается закрытым, пока не наступит тепловой пробой.

Итак, определились. Для открывания тиристора следует подать на управляющий электрод прибора постоянный ток с величиной, необходимой для его включения, для закрывания — снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на аноде) ниже значения тока удержания.
Т.е. в нашем случае, представленном на Рис.2 — тиристор будет открываться при замыкании S1 в каждый момент превышения анодным напряжением некоторого значения, зависящего от номинала R1, а закрываться с каждым полупериодом выпрямленного сетевого напряжения в момент приближения его уровня к нулевому значению.

Описанный способ управления тиристором посредством подачи на управляющий электрод постоянного тока прост, но обладает существенным недостатком — требуется довольно большой ток (а соответственно и мощность) управляющего сигнала (по паспорту — 200мА для КУ202).
Реальные величины тока управляющего электрода, достаточного для включения тиристора при комнатных температурах, обычно в несколько раз меньше цифр, приведенных в паспортных характеристиках (20-40мА для КУ202). Однако в большинстве случаев для управления тиристорами используется всё ж таки импульсный метод, либо метод, при котором открытый тиристор шунтирует цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.

Читайте также:  Как правильно заточить паяльник

Рассмотрим подобный метод на примерах.
На Рис.3 представлена простейшая классическая тиристорная схема регулятора мощности.

Устройство и принцип действия тиристора Устройство и принцип действия тиристора
Рис.3

Диодный мост Br1 преобразует двуполярное сетевое напряжение в однополярное удвоенной частоты, что позволяет регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.
В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, поступающая через резисторы R1 и R2 на управляющий электрод полупроводника. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора VS1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке.
Чем меньше будет значение R2, тем больше будет ток, поступающий на управляющий электрод, тем раньше откроется тиристор. При R2=0 — мощность в нагрузке максимальна (верхняя диаграмма).
При повороте ручки потенциометра R2, его сопротивление увеличивается, ток на управляющем электроде уменьшается, поэтому тиристор откроется уже не в начале полуволны, а спустя некоторое время, когда ток достигнет необходимого уровня.
Помимо этого, при увеличении сопротивления R2, управляющий сигнал получает дополнительную задержку, благодаря действию фазосдвигающей RC-цепочки, образованной R1, R2 и С1, что, в свою очередь, позволяет ещё больше расширить диапазон регулировки мощности.

Если нагрузка такова, что её необходимо запитать двуполярным переменным напряжением, схему можно преобразовать без какого-либо увеличения сложности.

Устройство и принцип действия тиристора Устройство и принцип действия тиристора
Рис.4

Всё тоже самое, только с другой стороны.

Как мы уже упоминали, рассматриваемые устройства являются простейшими и не лишены определённых недостатков. Их основными минусами являются слабая помехозащищённость, сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. К тому же, в связи с низким входным сопротивлением тиристора по управляющему входу, работа фазосдвигающей RC-цепи оказывается весьма неэффективной, что, в свою очередь, обуславливает недостаточно широкий диапазон регулировки мощности.
Значительно лучшим образом работают схемы, в которых формирование импульсов управления происходит посредством отдельных схем, выполненных на транзисторах, цифровых либо специализированных микросхемах. Однако, поскольку, всё имеет свои плюсы и минусы, то расплачиваться за усовершенствования приходится усложнением конструкции и необходимостью применения отдельного источника питания.

Поскольку в цепях постоянного тока тиристоры давно и без сожаления уступили место мощным транзисторам, специально спроектированным для работы в ключевых режимах, то и рассматривать их в данном контексте не имеет никакого основания.
А вот основные характеристики отечественных и зарубежных тиристоров окажутся совсем не лишними в копилке знаний пытливого радиолюбительского ума.
Тиристоры, максимальное прямое напряжение которых не дотягивает до амплитудного значения напряжения сети (300В) к рассмотрению также принимать не станем.

А на следующей странице мы рассмотрим принцип работы, свойства и характеристики симметричных триодных тиристоров — симисторов.

Тиристор — устройство, обладающее свойствами полупроводника, в основе конструкции которого лежит монокристаллический полупроводник, имеющий три или больше p-n-переходов.

Его работа подразумевает наличие двух стабильных фаз:

  • «закрытая» (уровень проводимости низкий);
  • «открытая» (уровень проводимости высоки).

Тиристоры — устройства, выполняющие функции силовых электронных ключей. Другое их наименование — однооперационные тиристоры. Данный прибор позволяет осуществлять регуляцию воздействия мощных нагрузок посредством незначительных импульсов.

Согласно вольт-амперной характеристике тиристора, увеличение силы тока в нём будет провоцировать снижение напряжения, то есть появится отрицательное дифференциальное сопротивление.

Кроме того, эти полупроводниковые устройства могут объединять цепи с напряжением до 5000 Вольт и силой тока до 5000 Ампер (при частоте не более 1000 Гц).

Тиристоры с двумя и тремя выводами пригодны для работы как с постоянным, так и с переменным током. Наиболее часто принцип их действия сравнивается с работой ректификационного диода и считается, что они являются полноценным аналогом выпрямителя, в некотором смысле даже более эффективным.

Разновидности тиристоров отличаются между собой:

  • Способом управления.
  • Проводимостью (односторонняя или двусторонняя).

Общие принципы управление

В структуре тиристора имеется 4 полупроводниковых слоя в последовательном соединении (p-n-p-n). Контакт, подведённый к наружному p-слою — анод, к наружному n-слою — катод. Как результат, при стандартной сборке в тиристоре максимально может быть два управляющих электрода, которые крепятся к внутренним слоям. Соответственно подключённому слою проводники, по типу управления устройства делятся на катодные и анодные. Чаще используется первая разновидность.

Ток в тиристорах течёт в сторону катода (от анода), поэтому соединение с источником тока осуществляет между анодом и плюсовым зажимом, а также между катодом и минусовым зажимом.

Тиристоры с управляющим электродом могут быть:

  • Запираемыми;
  • Незапираемыми.
Читайте также:  График плавления и отвердевания свинца

Показательным свойством незапираемых приборов является отсутствие у них реакции на сигнал с управляющего электрода. Единственный способ закрыть их — снизить уровень протекающего сквозь них тока так, чтобы он уступал силе тока удержания.

Управляя тиристором следует учитывать некоторые моменты. Устройство данного типа сменяет фазы работы с «выключен» на «включён» и обратно скачкообразно и только при условии внешнего воздействия: при помощи тока (манипуляции с напряжением) или фотонов (в случаях с фототиристором).

Чтобы разобраться в данном моменте необходимо помнить, что у тиристора преимущественно имеется 3 вывода (тринистор): анод, катод и управляющий электрод.

Устройство и принцип действия тиристора

Уэ (управляющий электрод) как раз таки и отвечает за то, чтобы включать и выключать тиристор. Открытие тиристора происходит при условии, что приложенное напряжение между А (анодом) и К (катодом) становится равным или превосходит объём напряжения работы тринистора. Правда, во втором случае потребуется воздействие импульса положительной полярности между Уэ и К.

При постоянной подаче питающего напряжения тиристор может быть открыт бесконечно долго.

Чтобы перевести его в закрытое состояние, можно:

  • Снизить уровень напряжения между А и К до нуля;
  • Понизить значение А-тока таким образом, чтобы показатели силы тока удержания оказались больше;
  • Если работа цепи построена на действии переменного тока, выключение прибора произойдёт без постороннего вмешательства, когда уровень тока сам снизится до нулевого показания;
  • Подать запирающее напряжение на Уэ (актуально только в отношении запираемых разновидностей полупроводниковых устройств).

Состояние закрытости тоже длится бесконечно долго, пока не возникнет запускающий импульс.

Конкретные способы управления

  • Амплитудный .

Представляет собой подачу положительного напряжения изменяющейся величины на Уэ. Открытие тиристора происходит, когда величины напряжения довольно, чтобы пробиться через управляющий переход тока спрямления (Iспр.). При помощи изменения величины напряжения на Уэ, появляется возможность изменения времени открытия тиристора.

Главный недочёт этого метода — сильное влияние температурного фактора. Кроме того, для каждой разновидности тиристора потребуется резистор другого вида. Этот момент не добавляет удобства в эксплуатации. Помимо этого время открытия тиристора возможно корректировать лишь пока длится первая 1/2 положительного полупериода сети.

Устройство и принцип действия тиристора

Заключается в смене фазы Uупр (в соотношении с напряжением на аноде). При этом применяется фазовращательный мост. Главный минус — малая крутизна Uупр, поэтому стабилизировать момент открытия тиристора можно лишь ненадолго.

  • Фазово-импульсный .

Рассчитан на преодоление недостатков фазового метода. С этой целью на Уэ подаётся импульс напряжения с крутым фронтом. Данный подход в настоящее время наиболее распространён.

Тиристоры и безопасность

Из-за импульсности своего действия и наличия обратного восстановительного тока тиристоры очень сильно повышает риск перенапряжения в работе прибора. Помимо этого опасность перенапряжения в зоне полупроводника высока, если в других частях цепи напряжения нет вовсе.

Поэтому во избежание негативных последствий принято использовать схемы ЦФТП. Они препятствуют появлению и удержанию критический значений напряжения.

Устройство и принцип действия тиристора

Двухтранзисторная модель тиристора

Из двух транзисторов вполне можно собрать динистор (тиристор с двумя выводами) или тринистор (тиристор с тремя выводами). Для этого один из них должен иметь p-n-p-проводимость, другой — n-p-n-проводимость. Выполнены транзисторы могут быть как из кремния, так и из германия.

Соединение между ними осуществляется по двум каналам:

  • Анод от 2-го транзистора + Управляющий электрод от 1-го транзистора;
  • Катод от 1-го транзистора + Управляющий электрод от 2-го транзистора.

Если обойтись без использования управляющих электродов, то на выходе получится динистор.

Совместимость выбранных транзисторов определяется по одинаковому объёму мощности. При этом показания тока и напряжения должны быть обязательно больше требуемых для нормального функционирования прибора. Данные по напряжению пробоя и току удержания зависят от конкретных качеств использованных транзисторов.

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