De ce un tiristor este numit dispozitiv de comutare? Cât de puternice funcționează tiristoarele de putere

tiristor este un tip de dispozitiv semiconductor conceput pentru conversia unidirecțională a curentului (adică, curentul este transmis într-o singură direcție).

Circuit tiristor

Acest convertor are două stări stabile: închis (stare de conductivitate scăzută) și deschis (stare de conductivitate ridicată). Scopul tiristorului este de a îndeplini funcția unui comutator electric, a cărui particularitate este imposibilitatea trecerii în mod independent la starea închisă. Dispozitivul îndeplinește funcțiile unui comutator cu circuit deschis și a unei diode redresoare în rețelele de curent continuu. Materialul principal în producția acestui dispozitiv semiconductor este siliciul. Carcasa este realizată din materiale polimerice sau metal - pentru modelele care funcționează cu curenți mari.

Design și aplicații tiristoare

Dispozitivul include 3 electrozi:

• anod;
• catod;
• electrod de control

Spre deosebire de o diodă cu două straturi, un tiristor este format din 4 straturi - p-n-p-n. Ambele dispozitive trec curentul într-o singură direcție. La majoritatea modelelor mai vechi, direcția sa este indicată de un triunghi. Tensiunea externă este aplicată cu semnul „-” electrodului catodic (regiune cu conductivitate electrică de tip n), „+” - electrodului anod (regiune cu conductivitate electrică de tip p).

Tiristoarele sunt folosite la sudarea invertoarelor, surselor de alimentare pentru încărcătoare de mașini, în generatoare și pentru sistemele de alarmă simple care răspund la lumină.

Principiul de funcționare al tiristoarelor

În literatura de specialitate, un tiristor este numit „single-operational” și aparține grupului de componente radio controlate incomplet. Acesta intră în starea activă atunci când primește un impuls cu o anumită polaritate de la obiectul de control. Viteza de activare și funcționarea ulterioară este influențată de:

• natura sarcinii – inductivă, reactivă;
• valoarea curentului de sarcină;
• viteza și amplitudinea creșterii pulsului de control;
• temperatura mediului dispozitivului;
• nivelul de tensiune.

Trecerea de la o stare la alta se realizează cu ajutorul semnalelor de control. Pentru a opri complet tiristorul, sunt necesari pași suplimentari. Oprirea se realizează în mai multe moduri:

• oprire naturală (comutare naturală);
• oprire forțată (comutare forțată), această opțiune poate fi efectuată în mai multe moduri.

În timpul funcționării, este posibilă trecerea neplanificată de la o poziție la alta, care este provocată de modificări ale caracteristicilor electricității și temperaturii.

Caracteristici de clasificare

Conform metodei de control, se disting următoarele tipuri de tiristoare:

Dioda (dinistoare)

Ele sunt activate de un impuls de înaltă tensiune aplicat anodului și catodului. Designul contine 2 electrozi, fara unul de control.

Triodă (sCR)

Ele sunt împărțite în două grupe. În primul, tensiunea de control este furnizată catodului și electrodului de control, în al doilea - anodului și electrodului de control.

triaci

Efectuați funcțiile a două tiristoare conectate în paralel.

Optotiristoare

Funcționarea lor se realizează sub influența fluxului luminos. Funcția electrodului de control este îndeplinită de o fotocelulă.

În funcție de conductivitatea inversă, tiristoarele sunt împărțite în:

• conductiv invers;
• neconductiv invers;
• cu valoare de tensiune inversă nestandardizată;
• curenți care trec în două direcții.

Principalele caracteristici ale tiristoarelor cărora ar trebui să le acordați atenție atunci când cumpărați

• Curent maxim admisibil. Această valoare caracterizează cea mai mare valoare a curentului tiristor deschis. Pentru dispozitivele puternice este de câteva sute de amperi.
• Curent invers maxim admis.
• Tensiune continua. Acest parametru tiristor este egal cu căderea de tensiune la curentul maxim posibil.
• Tensiune inversă. Caracterizează tensiunea maximă admisă pe un dispozitiv în stare închisă, în care nu își pierde capacitatea de a-și îndeplini funcțiile.
• Tensiunea de pornire. Aceasta este cea mai mică valoare la care poate funcționa tiristorul.
• Curentul minim al electrodului de control. Egal cu cantitatea de curent care este suficientă pentru a activa dispozitivul.
• Cea mai mare putere de disipare admisă.

Verificarea tiristorului pentru funcționalitate

Dispozitivul poate fi verificat în mai multe moduri, unul dintre ele utilizând un tester special de casă, asamblat conform diagramei prezentate mai jos.

Bună seara habr. Să vorbim despre un astfel de dispozitiv ca un tiristor. Un tiristor este un dispozitiv semiconductor bistabil având trei sau mai multe joncțiuni de redresare care interacționează. Din punct de vedere al funcționalității, acestea pot fi comparate cu cheile electronice. Dar există o caracteristică a tiristorului: nu poate intra în stare închisă, spre deosebire de o cheie obișnuită. Prin urmare, de obicei poate fi găsit sub nume - nu cheie complet gestionată.

Figura prezintă o vedere tipică a unui tiristor. Este format din patru tipuri alternative de conductivitate electrică a regiunilor semiconductoare și are trei terminale: anod, catod și electrod de control.
Anodul este în contact cu stratul p exterior, catodul este în contact cu stratul n exterior.
Vă puteți reîmprospăta memoria despre joncțiunea p-n.

Clasificare

În funcție de numărul de pini, poate fi derivată o clasificare a tiristoarelor. În esență, totul este foarte simplu: un tiristor cu două terminale se numește dinistor (în consecință, are doar un anod și un catod). Tiristoarele cu trei și patru terminale se numesc triodă sau tetrodă. Există, de asemenea, tiristoare cu un număr mare de regiuni semiconductoare alternante. Unul dintre cele mai interesante este un tiristor simetric (triac), care pornește la orice polaritate de tensiune.

Principiul de funcționare

De obicei, un tiristor este reprezentat ca doi tranzistori conectați unul la celălalt, fiecare dintre acestea funcționând în modul activ.

În legătură cu acest model, regiunile exterioare pot fi numite emițător, iar joncțiunea centrală poate fi numită colector.
Pentru a înțelege cum funcționează un tiristor, ar trebui să vă uitați la caracteristica curent-tensiune.


O mică tensiune pozitivă este aplicată anodului tiristorului. Joncțiunile emițătorului sunt conectate în direcția înainte, iar joncțiunile colectoarelor în direcția inversă. (în esență toată tensiunea va fi pe ea). Secțiunea de la zero la unu pe caracteristica curent-tensiune va fi aproximativ similară cu ramura inversă a caracteristicii diodei. Acest mod poate fi numit modul de stare a tiristorului închis.
Pe măsură ce tensiunea anodului crește, purtătorii majoritari sunt injectați în regiunea de bază, acumulând astfel electroni și găuri, ceea ce este echivalent cu diferența de potențial la joncțiunea colectorului. Pe măsură ce curentul prin tiristor crește, tensiunea la joncțiunea colectorului va începe să scadă. Și când scade la o anumită valoare, tiristorul nostru va intra într-o stare de rezistență diferențială negativă (secțiunea 1-2 din figură).
După aceasta, toate cele trei tranziții se vor deplasa în direcția înainte, transferând astfel tiristorul în starea deschisă (secțiunea 2-3 din figură).
Tiristorul va rămâne în stare deschisă atâta timp cât joncțiunea colectorului este polarizat în direcția înainte. Dacă curentul tiristorului este redus, atunci, ca rezultat al recombinării, numărul de purtători neechilibrați din regiunile de bază va scădea și joncțiunea colectorului va fi polarizat în direcția opusă, iar tiristorul va intra în starea oprită.
Când tiristorul este pornit invers, caracteristica curent-tensiune va fi similară cu cea a două diode conectate în serie. Tensiunea inversă va fi limitată în acest caz de tensiunea de avarie.

Parametrii generali ai tiristoarelor

1. Tensiunea de pornire- aceasta este tensiunea anodică minimă la care tiristorul intră în starea de pornire.
2. Tensiune directă este căderea de tensiune directă la curentul anodic maxim.
3. Tensiune inversă- aceasta este tensiunea maximă admisă pe tiristor în stare închisă.
4. Curent direct maxim admisibil- acesta este curentul maxim în stare deschisă.
5. Curent invers- curent la tensiune inversă maximă.
6. Curentul maxim de control al electrodului
7. Timp de întârziere pornire/oprire
8. Puterea disipată maximă admisă

Concluzie

Astfel, există un feedback pozitiv de curent în tiristor - o creștere a curentului printr-o joncțiune a emițătorului duce la o creștere a curentului printr-o altă joncțiune a emițătorului.
Un tiristor nu este un comutator de control complet. Adică, după ce a trecut la o stare deschisă, rămâne în ea chiar dacă nu mai trimiteți un semnal către tranziția de control, dacă este furnizat un curent peste o anumită valoare, adică curentul de menținere.

Un tiristor este un dispozitiv semiconductor cu patru straturi, straturile sunt aranjate în serie, tipurile de conductivitate ale acestora: p-n-p-n. Joncțiunile p-n dintre straturile din figură sunt desemnate „P1”, „P2” și „P3”. Contactul conectat la stratul p exterior se numește anod, iar la stratul n exterior se numește catod. În principiu, un tiristor poate avea până la doi electrozi de control conectați la straturile interioare. Dar tiristoarele sunt de obicei fabricate cu un electrod de control sau fără electrozi de control (un astfel de dispozitiv se numește dinistor).

Pentru a porni tiristorul, este suficient să aplicați pe scurt un semnal electrodului de control - tiristorul se va deschide și va rămâne în această stare până când curentul prin tiristor devine mai mic decât curentul de menținere.

Deci, principiul principal de funcționare al unui tiristor și al circuitelor bazate pe acesta este că deschidem tiristorul aplicând un semnal electrodului de control și îl închidem prin reducerea curentului anod-catod.

Ca și într-un tranzistor bipolar, rolul principal în principiul funcționării este jucat de purtătorii de sarcină minoritar (MCC) și de joncțiunea p-n polarizată invers. Deși există puțini transportatori minori, tranziția este închisă, dar dacă aruncați un NNZ la tranziție, se va deschide.
Există două moduri principale de a adăuga un NC într-un tiristor:
1) pompați curent în electrodul de control;
2) crește tensiunea atât de mult încât are loc o avalanșă.

Dinistor pornind un tiristor

În primul rând, să luăm în considerare al doilea caz, adică atunci când electrodul de control al tiristorului este deconectat.

Când se aplică o tensiune de polaritate directă, joncțiunile exterioare sunt deplasate în direcția înainte, iar cea din mijloc în direcția opusă. Odată cu o creștere semnificativă a tensiunii la electrozii de putere, purtătorii minoritari încep să se deplaseze prin joncțiunile extreme (P1 și P3) adiacente celei din mijloc, reducându-i rezistența. Procesul este lent, iar rezistența rămâne ridicată, dar numai până la un anumit punct. La o anumită valoare a tensiunii (de obicei câteva sute de volți), procesul devine o avalanșă (punctul 1 pe caracteristica curent-tensiune), purtătorii de sarcină minoritari sunt înlocuiți cu cei majoritari, deblocând joncțiunea din mijloc (P2) și reducând anodul-catod. rezistenţă. Tiristorul este deblocat, iar căderea de tensiune dintre electrozii de putere scade la câțiva volți (punctul 2 pe caracteristica curent-tensiune).

O creștere suplimentară a curentului duce doar la o creștere ușoară a căderii de tensiune pe tiristor, secțiunea caracteristicii curent-tensiune de la punctul 2 la punctul 3, acesta este modul de funcționare al tiristorului deschis.

Pentru a închide tiristorul, trebuie să reduceți curentul care curge sub curentul de menținere. Mai mult, căderea de tensiune corespunzătoare acestui curent este de multe ori mai mică decât tensiunea de deblocare.

Dar de ce un tiristor are nevoie de un electrod de control? Ce avantaje are un tiristor față de un dinistor? Faptul este că, prin aplicarea tensiunii printr-un rezistor la electrodul de control, puteți crește concentrația purtătorilor de sarcină minoritari, care la rândul lor vor reduce tensiunea de pornire a tiristorului.

Și la o anumită valoare a curentului electrodului de control nu va mai exista o cocoașă pe caracteristica curent-tensiune, adică. Caracteristica curent-tensiune a tiristorului va deveni similară cu caracteristica curent-tensiune a diodei, acest curent se numește curent de redresare.

Modul de blocare inversă a tiristorului

Când tiristorul este pornit în sens invers, tranzițiile exterioare (P1 și P3) sunt deplasate în direcția opusă, iar cea din mijloc în direcția înainte (P2). Tiristorul rămâne închis până la producerea unei defecțiuni termice.

Procese fizice

Dacă aș putea rezista cumva perechilor de pe bazele fizice ale electronicii pe care a fost luat în considerare tranzistorul, atunci diagramele benzilor de energie care explică principiul de funcționare al tiristorului erau deja prea complexe. Există o mulțime de nuanțe în concentrațiile purtătorilor de sarcină, grosimile straturilor și nivelurile de dopaj.
Desigur, pentru a produce un tiristor cu caracteristici bune, procesele fizice care au loc într-un cristal semiconductor trebuie să fie cunoscute și înțelese. Dar pentru a dezvolta circuite electronice, este suficient să cunoaștem caracteristica curent-tensiune a tiristorului și modelul său de tranzistor.

O structură semiconductoare cu patru straturi poate fi reprezentată ca două cu trei straturi dacă vă uitați la figură, atunci în structurile cu trei straturi puteți vedea două structuri bipolare n-p-n și p-n-p;

În timp ce ambele tranzistoare sunt închise, nu trece curent prin ele. Dar de îndată ce cel puțin unul dintre ele se deschide, îl va deschide imediat pe al doilea. Curentul de colector al primului tranzistor va merge la baza celui de-al doilea și o va deschide, iar curentul de colector al celui de-al doilea va fi baza pentru primul și va menține primul tranzistor deschis. Se pare că ambele tranzistoare se sprijină reciproc în starea deschisă. Și pentru ca acestea să se închidă, este necesar să se reducă curentul sub o anumită valoare, așa-numitul curent de menținere.

Înainte de a înțelege subiectul „tiristor - principiu de funcționare”, trebuie să înțelegeți ce este acest mic dispozitiv. În esență, aceasta este o cheie de pornire, doar că este întotdeauna în stare deschisă. Prin urmare, este adesea numită o cheie negestionată complet.

Trebuie remarcat faptul că în designul său un tiristor seamănă cu un tranzistor sau o diodă obișnuită. Adevărat, există diferențe semnificative. De exemplu, o diodă este un element semiconductor pe bază de siliciu (PN), un tranzistor este un element cu trei straturi (PNP sau NPN), iar un tiristor este un patru straturi (PNPN). Adică are trei joncțiuni p-n. Acesta este motivul pentru care redresoarele cu diode din fața redresoarelor cu tiristoare sunt mai puțin eficiente. Acest lucru este clar vizibil în diagrama de control a tiristoarelor.

Unde se folosesc tiristoarele?

Domeniul de aplicare al tiristoarelor este extins. De exemplu, le puteți folosi pentru a asambla un invertor pentru sudare sau un încărcător de mașină. Unii meșteri chiar asamblează generatoare cu propriile mâini. Cel mai important lucru este că tiristoarele pot trece atât curenți de înaltă frecvență, cât și de joasă frecvență prin ei înșiși. Prin urmare, prin asamblarea unei punți din aceste dispozitive, este posibil să se realizeze un transformator pentru o mașină de sudură.

Proiectare și principiu de funcționare

Comutatorul tiristor este format din trei părți:

• Anod.
• Catod.
• Intrare.

Acesta din urmă este format din trei joncțiuni p-n. În acest caz, tranzițiile sunt comutate la o viteză foarte mare. În general, principiul de funcționare al unui tiristor poate fi mai bine explicat dacă luăm în considerare un circuit care conectează două tranzistoare conectate în paralel, ca întrerupătoare cu acțiune regenerativă complementară.

Deci, cel mai simplu circuit din două tranzistoare, combinate astfel încât la pornire, curentul colectorului să circule către NPN al celui de-al doilea dispozitiv prin canalele NPN ale primului. În același timp, curentul se întoarce prin primul tranzistor către al doilea. În esență, obținem o conexiune destul de simplă în care emițătorul de bază al unuia dintre tranzistori, în cazul nostru al doilea, primește curent de la colectorul-emițător al altui dispozitiv, adică primul.

circuit DC

Într-un circuit de curent continuu, un tiristor funcționează pe principiul furnizării unui impuls de polaritate pozitivă, desigur, în raport cu catodul. Durata tranziției de la o stare la alta este foarte influențată de o serie de caracteristici. Și anume:

• Tip de sarcină (inductivă, activă etc.).
• Rata de creștere a impulsului și amplitudinea acestuia, adică curentul de sarcină.
• Mărimea sarcinii curente în sine.
• Tensiune în circuit.
• Temperatura dispozitivului în sine.

Cel mai important lucru aici este că nu există o creștere bruscă a tensiunii în rețeaua în care este instalat acest dispozitiv. În acest caz, tiristorul se poate porni spontan, iar semnalul de control va fi absent în acest moment.

circuit AC

În această rețea, comutatorul tiristor funcționează puțin diferit. Acest dispozitiv face posibilă efectuarea mai multor tipuri de operații. De exemplu:

• Pornirea și oprirea unui circuit în care acționează o sarcină activă sau activ-reactivă.
• Puteți modifica valoarea sarcinii efective și valoarea medie a acesteia datorită capacității de a modifica (regla) alimentarea semnalului de control în sine.

Dar rețineți că un comutator tiristor poate trece un semnal doar într-o direcție. Prin urmare, tiristoarele în sine sunt instalate în circuit, ca să spunem așa, într-o conexiune anti-paralelă.

Control tiristor

În dispozitivele electronice de putere, controlul tiristorului de fază sau puls este cel mai des utilizat.

În primul caz, sarcina curentă poate fi ajustată prin schimbarea unghiurilor fie α, fie θ. Aceasta se referă la încărcarea forțată. Sarcina artificială poate fi reglată numai folosind un tiristor controlat, numit și tiristor de oprire.

Cu PWM (modularea lățimii impulsului), în timpul Totkr semnalul este furnizat, ceea ce înseamnă că dispozitivul în sine este în stare deschisă, adică curentul este alimentat cu tensiunea Un. În timpul perioadei de timp Tclose nu există niciun semnal, iar dispozitivul în sine este într-o stare neconductivă.

LED-uri tiristoare

De obicei, un tiristor și un LED nu sunt instalate în aceeași lampă. Locul său este înlocuit de o diodă, care funcționează atât pornit, cât și oprit, ca o cheie obișnuită. Acest lucru se datorează diferitelor motive, principalul fiind proiectarea și principiul de funcționare al dispozitivului în sine, care este întotdeauna în stare deschisă. În prezent, oamenii de știință au inventat așa-numitul LED tiristor.

În primul rând, un LED tiristor conține, pe lângă siliciu, galiu, aluminiu, indiu, arsenic și antimoniu. În al doilea rând, spectrul de emisie în timpul n-joncțiunilor dintre materiale creează o undă cu o lungime de 1,95 microni. Și aceasta este o putere optică destul de mare în comparație cu un element de diodă care produce unde luminoase în același interval.