Что такое тиристор и как он работает


В целом тиристоры также являются переключающими устройствами, подобными транзисторам. А транзисторы — это крошечные электронные компоненты, который в недалеком прошлом изменили мир. Сегодня мы можем найти их в каждом электронном устройстве, таком как телевизоры, мобильные телефоны, ноутбуки, калькуляторы, наушники и т. д. Они адаптируются и универсальны, но это не значит, что их можно использовать в любом приложении, мы можем использовать их в качестве усилительного и переключающего устройства, но они не могут выдерживать значительные токи, а также транзистору требуется непрерывный ток переключения. Для решения этих проблем транзисторов и придумали тиристоры.

Внешний вид и схема включения тиристора

Обычно термины SCR и тиристор используются взаимозаменяемо, но SCR — это разновидность  тиристора. Тиристор включает в себя множество типов переключателей, некоторые из них - это SCR (кремниевый выпрямитель), GTO (выключающий затвор) и IGBT (биполярный транзистор, управляемый изолированным затвором) и т. д. Но SCR является наиболее широко используемым устройством, поэтому слово «тиристор» стало синонимом SCR. Проще говоря, SCR — это разновидность тиристора.

SCR или тиристор представляет собой четырехслойное полупроводниковое переключающее устройство с тремя переходами. Он имеет три вывода: анод, катод и затвор. Тиристор также является однонаправленным устройством, как и диод, что означает, что ток через него течет только в одном направлении. Он состоит из трех последовательно соединенных PN-переходов, так как состоит из четырех слоев. Вывод затвора используется для запуска тиристора путем подачи небольшого напряжения на этот вывод, который мы также называем методом запуска затвора для включения тиристора.

Внутреннее устройство тиристора Обозначение тиристора на схемах

Двухтранзисторная аналогия тиристора

Эквивалентная схема двух транзисторов, представленная на рисунке ниже, показывает что на базу PNP-транзистора Т1 подается ток коллектора NPN-транзистора Т2, а ток коллектора транзистора Т1 питает базу транзистора Т2. Следовательно, проводимость обоих транзисторов зависит друг от друга. Таким образом, пока одна из баз любого транзистора не получит базовый ток, он не будет проводить ток, даже если напряжение присутствует на аноде и катоде. Основное различие между транзистором и тиристором заключается в том, что транзистор выключается при отключении тока базы, в то время как тиристор остается включенным все время после того как его запустили один раз. Для таких приложений, как цепь сигнализации, которая должна срабатывать один раз и оставаться включенной навсегда, нельзя использовать транзистор. Итак, для решения этих проблем мы используем тиристор.

Двухтранзисторная аналогия тиристора

Чем тиристор отличается от MOSFET?

Тиристор и МОП-транзистор (MOSFET) являются наиболее часто используемыми электрическими переключателями. Основное различие между ними заключается в том, что МОП-транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением, и могут переключать только постоянный ток, тогда как тиристорные переключатели являются устройствами, управляемыми по току, и могут переключать как постоянный, так и переменный ток.

Есть еще несколько различий между тиристором и МОП-транзистором, которые приведены в следующей таблице:

Свойство Тиристор МОП-транзистор
Тепловой сброс Да Нет
Чувствительность к температуре маленькая большая
Тип Высоковольтное сильноточное устройство Устройство среднего тока высокого напряжения
Выключение Требуется отдельная схема переключения Не требуется
Включение Требуется одиночный импульс Постоянное питание не требуется, за исключением случаев включения и выключения
Скорость переключения низкая высокая
Резистивный входной импеданс низкий высокий
Управление Устройство, управляемое по току Устройство, управляемое по напряжению

Как видите, отличий немало.

Чем тиристор отличается от транзистора?

Тиристор и транзистор являются электрическими переключателями, но мощность, выдерживаемая тиристорами, намного выше, чем у транзисторов. Вследствие этого мощность тиристоров указывается в киловаттах, а транзисторов - в ваттах. Фактически ранее мы уже видели, что тиристор, по сути, это закрытая пара транзисторов. Основное различие между транзистором и тиристором заключается в том, что транзистору необходим постоянный импульсный источник питания, чтобы оставаться включенным, но в случае тиристора нам нужно запустить его только один раз, и он останется включенным. Поэтому для таких приложений, как цепь сигнализации, которая должна срабатывать один раз и оставаться включенной навсегда, нельзя использовать транзистор. Там лучше подойдет именно тиристор.

Есть еще несколько различий между тиристором и транзистором, которые приведены в следующей таблице.

Свойство Тиристор Транзистор
Количество слоев Четыре слоя Три слоя
Выводы Анод, катод и затвор Эмиттер, коллектор и база
Работа при превышении напряжения и тока Хорошая Хуже чем у тиристора
Включение Строб-импульс для включения Требуется непрерывная подача управляющего тока
Внутренняя потеря мощности Ниже чем у транзистора Высокая

Основное различие в свойствах тиристора и транзистора обусловлено различием в количестве слоев.

Вольт-амперные характеристики тиристора (SCR)

Схема включения тиристора и его вольт-амперные характеристики приведены на рисунках ниже. Анод и катод тиристора подключены к сети питания через нагрузку. Затвор и катод тиристора питаются от источника Es, используемого для подачи тока затвора от затвора к катоду.

Схема включения тиристора для снятия его вольт-амперной характеристики

Вольт-амперная характеристика тиристора

Согласно представленному рисунку существует три основных режима работы тиристора (SCR): режим обратной блокировки, режим прямой блокировки и режим прямой проводимости.

Режим обратной блокировки:

В этом режиме катод становится положительным по отношению к аноду при разомкнутом переключателе S. Соединение J1 и J3 смещено в обратном направлении, а J2 — в прямом. Когда обратное напряжение прикладывается к тиристору (должно быть меньше VBR), устройство обеспечивает высокий импеданс в обратном направлении. Следовательно, тиристор рассматривается как разомкнутый переключатель в режиме блокировки обратного хода. V BR — это напряжение обратного пробоя, при котором возникает лавина. Если напряжение превышает V BR , это может привести к повреждению тиристора.

Принцип работы тиристора в режиме обратной блокировки

Режим прямой блокировки:

Когда анод установлен положительно по отношению к катоду, затвор открыт. Говорят, что в данном случае тиристор смещен в прямом направлении, переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении, а J2 смещены в обратном направлении, как вы можете видеть на рисунке. В этом режиме протекает небольшой ток, называемый током прямой утечки, поскольку ток прямой утечки мал и недостаточен для срабатывания тиристора. Таким образом, SCR рассматривается как разомкнутый переключатель даже в режиме прямой блокировки.

Принцип работы тиристора в режиме прямой блокировки

Режим прямой проводимости:

Когда прямое напряжение увеличивается, а цепь затвора остается открытой, на переходе J2 возникает лавина, и тиристор переходит в режим проводимости. Мы можем включить тиристор в любой момент, подав положительный импульс между затвором и катодом или подав напряжение прямого пробоя между анодом и катодом тиристора.

Методы запуска тиристора (SCR)

Существует множество способов запуска SCR, например:

  • Запуск от прямого напряжению
  • Запуск с помощью затвора
  • Запуск dv/dt
  • Температурный запуск
  • Световой триггер

Рассмотрим каждый из этих методов более подробно.

Запуск по прямому напряжению

При подаче прямого напряжения между анодом и катодом при открытой цепи затвора переход J2 смещается в обратном направлении. В результате поперек J2 происходит образование обедненного слоя. По мере увеличения прямого напряжения наступает этап, когда слой истощения исчезает, и говорят, что J2 имеет лавинный пробой. Следовательно, тиристор переходит в состояние проводимости. Напряжение, при котором возникает лавина, называется напряжением прямого пробоя V BO .

Срабатывание с помощью затвора

Это один из наиболее распространенных, надежных и эффективных способов включения тиристора (SCR). При срабатывании затвора для включения тиристора между затвором и катодом прикладывается положительное напряжение, что приводит к возникновению тока затвора, и заряд инжектируется во внутренний P-слой, и происходит прямой пробой. Чем выше ток затвора, тем ниже напряжение прямого пробоя.  

Как показано на рисунке, в тиристоре имеется три соединения, теперь для включения тиристора соединение J2 должно разорваться. При использовании метода запуска затвора при подаче управляющего импульса переход J2 разрывается, переходы J1 и J2 смещаются вперед и тиристор переходит в состояние проводимости. Следовательно, это позволяет току течь через анод к катоду.

Согласно модели с двумя транзисторами, когда анод установлен положительно по отношению к катоду, ток не будет течь через анод к катоду до тех пор, пока не сработает затвор. Когда ток протекает через вывод затвора, он открывает нижний транзистор. Поскольку нижний транзистор проводит, он включает верхний транзистор. Это своего рода внутренняя положительная обратная связь, поэтому, подав импульс на затвор один раз, тиристор остается во включенном состоянии. Когда оба транзистора открываются, ток начинает проходить через анод к катоду. Это состояние известно как прямое проведение, и именно так транзистор «фиксируется» или остается постоянно включенным. Для выключения тиристора вы не можете отключить его, просто убрав ток затвора, в этом состоянии тиристор становится независимым от тока затвора. Для выключения тиристора необходимо замкнуть цепь выключения.

dv/dt запуск

В обратносмещенном переходе J2 приобретает характеристики конденсатора из-за наличия заряда на переходе, что означает, что переход J2 ведет себя как емкость. Если прямое напряжение прикладывается внезапно, зарядный ток через емкость перехода Cj приведет к включению тиристора.

Зарядный ток i C определяется выражением;

Следовательно, если скорость нарастания прямого напряжения dVa/dt высока, зарядный ток i C будет больше. Здесь зарядный ток играет роль тока затвора для включения тиристора, даже если сигнал затвора равен нулю.

Температурный запуск

Когда тиристор находится в режиме прямой блокировки, большая часть приложенного напряжения собирается на переходе J2, и это напряжение связано с определенным током утечки, что повышает температуру перехода J2. Таким образом, с повышением температуры обедненный слой уменьшается, и при некоторой высокой температуре (в пределах безопасного предела) обедненный слой разрушается и тиристор переходит в состояние ВКЛ.

Световой запуск

Для срабатывания тиристора светом во внутреннем p-слое делается углубление (или полость), как показано на рисунке ниже. Луч света определенной длины волны направляется оптическими волокнами для облучения. Когда интенсивность света превышает определенное значение, SCR включается. Этот тип SCR называется SCR, активируемым светом (LASCR). Иногда эти SCR срабатывают с использованием комбинации источника света и сигнала затвора. Для включения тиристора требуется высокий ток затвора и меньшая интенсивность света.

Принцип работы SCR, активируемого светом (LASCR)

LASCR или SCR со световым триггером используются в системе передачи HVDC (постоянный ток высокого напряжения).

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
226 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *