Устройство и работа тиристора

Они бывают двух видов: с управляющим p-n-переходом и со структурой металл-диэлектрик-полупроводник, рассмотрим оба этих типа более подробно

Устройство и работа тиристора

Устройство и работа тиристора

Принцип работы тиристора

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

Устройство и работа тиристора

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

Устройство и работа тиристора

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

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

Устройство и работа тиристора

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

Устройство и работа тиристора

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

Устройство и работа тиристора

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

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

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

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

Устройство и работа тиристора

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

Основные характеристики тиристоров

Виды тиристоров в электронике. Симисторы

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

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

Устройство и работа тиристора

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


Принцип работы симистора

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

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

Устройство и работа тиристора

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

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

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

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

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

Устройство и работа тиристора

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

Устройство и работа тиристора
Читайте также:  Колебания двойного пружинного маятника

Применение тиристоров в электронике

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

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

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

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

Устройство и работа тиристора

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

Устройство и работа тиристораМигающая наружная реклама украшает городские кварталы. Забавный световой эффект «бегущие огни» сопровождает выступления эстрадных артистов. Новогодняя гирлянда на ёлке создаёт праздничное настроение. Маленькая деталь, которая управляет огромными электронными приборами, называется тиристор.

Принцип работы

Радиотехнический термин thyristor составлен из двух частей. В начале употреблено слово thyra, что означает на греческом языке «дверь» или «вход». Затем использовано окончание английского слова resistor, которое переводится как «сопротивление».

Тиристором называется полупроводниковое устройство, где на базе монокристалла собираются более двух p — n переходов. Суть электронно-дырочного соединения пары химических элементов — так расшифровывается понятие «p — n переход» — состоит в том, что при подключении прямого тока на выводах появляется разность потенциалов. При обратном токе совершается блокировка носителей заряда.

В устройство коммутируется сигнальный контакт, назначение которого состоит в управлении током пробоя границы разнозаряженных зон. На электрических схемах обозначение тиристора почти совпадает со значком диода. Различие состоит в том, что к катодному выводу пририсована стрелка управляющего электрода.

Конструкция прибора

Полупроводниковый прибор представляет собой структуру, которую образуют четыре слоя разной полярности, соединённых последовательно. Образуется цепочка p — n — p — n типа. К наружному слою с положительным зарядом подключён анодный вывод, к отрицательному полупроводнику — катод. К внутренним прослойкам допустимо присоединение до двух управляющих контактов.

Устройство и работа тиристораОсновообразующим элементом тиристора является кристалл кремния с заданной толщиной. Для формирования p-слоя применяются примеси бора и алюминия. Чтобы получить n-область используется фосфор. Нанесение добавок происходит с помощью диффузионной технологии. При температуре от 1000° C до 1300° C создаётся переходный слой глубиной 60 Мкм.

Внешний вид современных устройств непохож на детали, изготовленные два десятка лет назад. Раньше они выглядели как «летающие тарелки». Минусовый электрод и сигнальный контакт располагались на торце, а анодный вывод устанавливался с противоположной стороны или сбоку изделия. Сейчас тиристор представляет собой небольшой пластмассовый коробок с тремя электродами внизу. Расположение контактов указывается в описании устройства.

Режимы работы

Принцип действия тиристора характеризуется работой в двух устойчивых состояниях. Положение «закрыто» свидетельствует о низкой проводимости. Значение «открыто» указывает высокую электропроводность.

Как работает тиристор, для чайников объяснит диаграмма зависимости силы тока от напряжения. В исходной позиции полупроводниковый элемент заперт.

Даже значительное увеличение разности потенциалов на контактах не приведёт устройство в рабочее состояние. Линия графика почти горизонтальна.

Но стоит подать ток на управляющий вывод, как тиристор откроется. В этот момент линейный отрезок на графике круто изменяет угол наклона, близкий к вертикальному положению. От величины сигнального тока зависит уровень пробойного напряжения. Вольт-амперная характеристика объясняет, зачем требуется применение управляющего электрода. После обнуления командного сигнала устройство останется открытым, пока напряжение не уменьшится до уровня удержания.

Устройство и работа тиристораРабота транзистора также основана на взаимодействии p — n переходов. От полупроводникового триода, который, как вентиль, плавно регулирует напряжение, тиристорный элемент отличается скачкообразным ростом разности потенциалов после появления сигнала управления. Своеобразный электронный ключ по команде открывает дорогу питанию электрической цепи.

Классификация тиристоров

Существует два варианта управления полупроводником: через катод или анод. Это зависит от полярности слоя, к которому подключено управление. Поэтому различают тиристоры с катодным или анодным управлением.

Устройство и работа тиристораВозможен вариант отсутствия управляющего электрода. Такой прибор называется диодным тиристором, и включение устройства производит напряжение, подаваемое на основные контакты. Отсюда классификация на динисторы, не имеющие вывода управления, и тринисторы, у которых есть управляющий контакт.

По способностям пропускать ток в том или ином направлении тиристоры подразделяются на симметричные и асимметричные устройства. Симметричные полупроводники, которые профессионалы называют симисторами, способны проводить ток в обоих направлениях. В сущности, симистор — это пара тиристоров, включённых по встречно-параллельной схеме.

Асимметричные приборы пропускают ток только в одну сторону:

  • прямонаправленные устройства заперты при подключении напряжения обратного направления;
  • приборы, пропускающие обратный ток, открываются при подаче напряжения противоположной полярности.

В электронных схемах также используются запираемые тиристоры. Устройство открывается, когда на управляющий электрод подаётся ток. В положение «закрыто» прибор переходит при изменении полярности тока управления.

Технические характеристики

Области применения полупроводника разнообразны. В зависимости от того, для чего нужен тиристор, подбирается деталь с требуемыми техническими данными. Выбрать необходимый тип полупроводникового триода помогут рабочие параметры устройства:

  1. Максимальный ток от анода к катоду.
  2. Наибольшая величина обратного тока указывается только для типов, обладающих такой функцией.
  3. Устройство и работа тиристораМаксимальное прямоточное напряжение в положении «открыто».
  4. Минимальные напряжение и сила тока раскрытия p — n перехода.
  5. Предельный уровень сигнального тока, приводящий к пробою тиристора.
  6. Ток удержания определяет уровень, ниже которого наступает состояние «закрыто».
  7. Мощность указывает величину допустимой нагрузки.
  8. Время срабатывания.

Контроль работоспособности

Перед установкой тиристора в схему необходимо убедиться в его исправности. Целостность детали проверяется мультиметром или лампочкой, подключённой к источнику питания.

На измерительном приборе устанавливают функцию прозвонки. Сначала щупы присоединяют к аноду и катоду попеременно в прямом и обратном направлении. Цифра «1» на дисплее укажет, что ток не проходит, и деталь исправна. Затем прозванивают линию от анода до сигнального контакта.

Одна из цепей должна быть оборвана, а другая покажет небольшое сопротивление. Если в обоих случаях мультиметр обнаружит одинаковый результат, то тиристор неисправен.

Работоспособность детали можно проверить, собрав простую электрическую цепь. Анодный контакт присоединяют к «плюсовому» зажиму батарейки. Катод замыкают на «минус» источника питания через лампочку. Куском провода кратковременно смыкаются анодный и управляющий выводы. Лампа должна загореться и не гаснуть после разрыва цепочки «анод — управляющий электрод».

Устройство и работа тиристора

Работающий осветительный прибор указывает на исправность тиристора. При проверке необходимо учитывать величину подаваемого напряжения, которая должна быть достаточной для включения лампы.

Практическое применение

Благодаря принципу работы тиристор используют в преобразователях напряжения и выпрямителях тока. Вместе с силовым трансформатором полупроводник способен изменять уровень тока. На этой основе собраны зарядные устройства автомобильных аккумуляторов, а также мощные электросварочные аппараты. Способность прибора изменять переменное напряжение на постоянное напряжение используется в преобразователях.

В устройствах сигнализации тиристор включается командой от внешнего датчика, изменяющего напряжение на управляющем электроде. Конструкции, которые контролируют окружающую обстановку, могут реагировать на изменение температурного режима или объёмного наполнения пространства. За освещённостью объекта наблюдает оптотиристор.

Устройство и работа тиристора

Полупроводниковый тиристор предназначен для управления большими токами слаботочным сигналом. С помощью диммерных блоков, на которые подаётся команда от светового пульта, управляются театральные прожекторы и светильники.

Поддержание заданного температурного режима в печи обеспечивается регулятором мощности дуги горения. В электрических двигателях скорость вращения ведущего вала контролирует тиристорный регулятор частоты хода.

Архимед обещал перевернуть Землю, если бы у него была точка опоры. Управляемый тиристорный полупроводник является тем рычагом, который расширяет области применения электронных устройств. Небольшая радиодеталь умножает возможности человека в развитии научно-технического прогресса.

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.

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 работа 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 работа 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 работа 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.

Устройство и работа тиристора