Принцип работы тиристора простым языком

Увеличение прямого напряжения приводит к медленному росту электрического тока. В таком режиме полупроводник считается запертым, что связано с повышенным сопротивлением единичного перехода. При некотором показателе напряжения процесс начинает приобретать лавинообразный характер. Прибор переходит во включенное состояние, в нем устанавливается электрический ток, который зависит от источника и сопротивления цепи.

В переключательных схемах часто используется тиристор, принцип работы которого напоминает электронный ключ. Он представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий три или несколько взаимодействующих выпрямляющих переходов. Однако тиристор не способен перейти в состояние закрытого типа, поэтому его называют ключом, который является не полностью управляемым.

Четырёхквадрантные симисторы могут отпираться сигналом с любой полярностью. В этом преимуществе есть и недостаток – может потребоваться увеличенный управляющий ток.

Конструкция и принцип действия

Особенность симистора является двунаправленной проводимости идущего через прибор электрического тока. Конструкция устройства строится на использовании двух встречно-параллельных тиристоров с общим управлением. Такой принцип работы дал название от сокращенного «симметрические тиристоры». Поскольку электроток может протекать в обе стороны, нет смысла обозначать силовые выводы как анод и катод. Дополняет общую картину управляющий электрод.

Условное обозначение на схеме по ГОСТ:

Внешний вид следующий:

В симисторе есть пять переходов, позволяющих организовать две структуры. Какая из них будет использоваться зависит от места образования (конкретный силовой вывод) отрицательной полярности.

При использовании в цепи переменного тока симистор закрывается на обратной полуволне синусоиды, тогда нужно подавать импульс противоположной полярности (той же, под которой находятся «силовые» электроды элемента).

Принцип действия системы управления может корректироваться в зависимости от конкретного случая и применения. После открытия и начала протекания подавать ток на управляющий электрод не нужно. Цепь питания разрываться не будет. При надобности отключить питание следует понизить ток в цепи ниже уровня величины удержания или кратковременно разорвать цепь питания.

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:

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.

Возможен 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.

Как проверить рабочее состояние тиристора и симистора

Характеристики

К основным характеристикам можно отнести следующие:

Рассматриваемые элементы, кроме электронных ключей, часто применяются в регуляторах мощности, которые позволяют изменять подводимую к нагрузке мощность за счёт изменения среднего и действующего значений переменного тока. Величина тока регулируется изменением момента подачи на тиристор открывающего сигнала (за счёт варьирования угла открывания). Углом открытия (регулирования) называется время от начала полупериода до момента открытия тиристора.

Помимо проверки прибора, также рекомендуется использовать специальные контроллеры или блок управления тиристорами и симисторами ОВЕН БУСТ или прочие марки, он работает примерно также, как и регулятор мощности на тиристоре. Главным отличием является более широкий спектр напряжений.

Технические характеристики

Рассмотрим технические параметры тиристора серии КУ 202е. В этой серии представляются отечественные маломощные устройства, основное применение которых ограничивается бытовыми приборами: его используют для работы электропечей, обогревателей и т.д.

На чертеже ниже представлена цоколевка и основные детали тиристора.

Фото — ку 202

1. Установленное обратное напряжение в открытом состоянии (макс) 100 В
2. Напряжение в закрытом положении 100 В
3. Импульс в открытом положении — 30 А
4. Повторяющийся импульс в открытом положении 10 А
5. Среднее напряжение =0,2 В
6. Установленный ток в открытом положении Фото — тиристор ку202н

Цена тиристора зависит от его марки и характеристик. Мы рекомендуем покупать отечественные приборы – они более долговечны и отличаются доступной стоимостью. На стихийных рынках можно купить качественный мощный преобразователь до сотни рублей.

История его создания приходится на 1960-е годы, на то время, когда Мордовский институт заполнил патент на это изобретение.

Принцип действия

Пожалуй, основное отличие симистора от тиристора заключается в том, что первый прибор может пропускать ток в двух направлениях, из-за чего он нашёл своё применение в электроцепях переменного тока.

В симисторе отсутствует катод и анод. Этот факт подтверждается при изучении вольт-амперной характеристики прибора.

Также можно заметить, что он имеет симметрию с осью тока. В его схеме присутствует два силовых электрода (МТ1 и МТ2) и управляющий электрод (G). Если на второй показатель подать напряжение со знаком минус, и его показатель окажется выше заданной величины срабатывания симистора, и одновременно на силовой электрод подать напряжение, достаточное для протекания в приборе тока, превышающего ток удержания симистора, то он будет пропускать электричество.

Закрыться же прибор сможет после того, как напряжение на силовом электроде упадёт до величины, при которой ток прибора снизится до тока удержания.

Основным достоинством схем регуляторов мощности на приборе является наличие хорошей двусторонней связи, следовательно, появляется уникальная возможность её изменения непосредственно в период работы устройства.

Такие схемы часто используются для регулирования света при использовании всем известных ламп накаливания. Для их реализации применяются

• тиристор;
• динистор;
• симистор.

Для такого режима работы можно использовать 4 способа для подачи напряжения на МТ2 и G (управляющий электрод). Два первых варианта требуют подать напряжение со знаком плюс на силовой электрод (МT2) и отрицательное или положительное на управляющий электрод. Последующие два варианта требуют подать на силовой электрод (МT2) напряжение со знаком минус и положительное или отрицательное на управляющий электрод.

Важно, что 1−3 способы считаются рабочими, а четвёртый запрещённым, так как в этом режиме может произойти поломка.

А теперь обратимся к электроосветительным приборам. Нет ничего проще управлять работой любого из них. Нажал, к примеру, клавишу выключателя — ив комнате загорелась люстра, нажал еще раз — погасла. Иногда, правда, это достоинство неожиданно превращается в недостаток, особенно если вы хотите сделать свою комнату уютной, создать ощущение комфорта, а для этого так важно удачно подобрать освещение. Вот если бы свечение ламп менялось плавно.

Увеличив число полупроводниковых слоев тиристора с четырех до пяти и снабдив его управляющим электродом, ученые обнаружили, что прибор с такой структурой (названный впоследствии симистором) способен пропускать электрический ток как в прямом, так и в обратном направлениях.

Посмотрите на рисунок 1, изображающий строение полупроводниковых слоев симистора. Внешне они напоминают транзисторную структуру р- n -р типа, но отличаются тем, что имеют три дополнительные области с n -проводимостью. И вот что интересно: оказывается, две из них, расположенные у катода и анода, выполняют функции только одного полупроводникового слоя — четвертого. Пятый образует область с n -проводимостью, лежащая около управляющего электрода.

Тринисторный аналог симистора

В целом его действие можно сравнить, например, с вращающейся дверью на станции метро — в какую сторону ни толкни ее, она обязательно откроется. Действительно, подадим отпирающее напряжение на управляющий электрод симистора — «подтолкнем» его, и электроны, словно спешащие на посадку или выход пассажиры, потекут через прибор в направлении, диктуемом полярностью включения анода и катода.

Этот вывод подтверждается и вольтамперной характеристикой прибора (рис. 3). Она состоит из двух одинаковых кривых, повернутых относительно друг друга на 180°. Их форма соответствует вольтамперной характеристике динистора, а области непроводящего состояния, как и у тринистора, легко преодолеваются, если на управляющий электрод подать отпирающее напряжение (изменяющиеся участки кривых показаны штриховыми линиями).

Благодаря симметричности вольтамперной характеристики новый полупроводниковый прибор был назван симметричным тиристором (сокращенно — симистор). Иногда его называют триаком (термин, пришедший из английского языка).

Близкое родство тиристора и симистора привело к тому, что у этих приборов оказалось много общего. Так электрические свойства симистора характеризуются теми же параметрами, что и у тиристора. Маркируются они тоже одинаково — буквами КУ, трехзначным числом и буквенным индексом в конце обозначения. Иногда симисторы обозначают несколько иначе — буквами ТС, что означает «тиристор симметричный».

Условное графическое обозначение симисторов на принципиальных схемах показано на рисунке 4.

А теперь обратимся к электроосветительным приборам. Нет ничего проще управлять работой любого из них. Нажал, к примеру, клавишу выключателя — ив комнате загорелась люстра, нажал еще раз — погасла. Иногда, правда, это достоинство неожиданно превращается в недостаток, особенно если вы хотите сделать свою комнату уютной, создать ощущение комфорта, а для этого так важно удачно подобрать освещение. Вот если бы свечение ламп менялось плавно.

Оказывается, в этом нет ничего невозможного. Нужно только вместо обычного выключателя подсоединить электронное устройство, управляющее яркостью светильника. Функции регулятора, «командующего» лампами, в таком приборе выполняет полупроводниковый симистор.

Построить простое регулирующее устройство, которое поможет управлять яркостью свечения настольной лампы или люстры, изменять температуру электроплитки или жала паяльника, вы сможете, воспользовавшись схемой, представленной на рисунке 5.

Рис. 5. Принципиальная схема регулятора

Трансформатор Т1 преобразует сетевое напряжение 220 В в 12 — 25 В. Оно выпрямляется диодным блоком VD1—VD4 и подается на управляющий электрод симистора VS1. Резистор R1 ограничивает ток управляющего электрода, а переменным резистором R2 регулируют величину управляющего напряжения.

Рис. 6. Временные диаграммы напряжения: а — в сети; б — на управляющем электроде симистора, в — на нагрузке.

Нетрудно догадаться, что наш прибор регулирует мощность, потребляемую нагрузкой, изменяя тем самым яркость свечения лампы или температуру нагревательного элемента.

В устройстве можно применить следующие элементы. Симистор КУ208 с буквой В или Г. Диодный блок КЦ405 или КЦ407 с любым буквенным индексом, подойдут также четыре полупроводниковых диода серий Д226, Д237. Постоянный резистор — МЛТ-0,25, переменный — СПО-2 или любой другой мощностью не менее 1 Вт. ХР1 — стандартная сетевая вилка, XS1 — розетка. Трансформатор Т1 рассчитан на напряжение вторичной обмотки 12—25 В.

Если подходящего трансформатора нет, изготовьте его самостоятельно. Сердечник из пластин Ш16, толщина набора 20 мм, обмотка I содержит 3300 витков провода ПЭЛ-1 0,1, а обмотка II — 300 витков ПЭЛ-1 0,3.

Тумблер — любой сетевой, предохранитель должен быть рассчитан на максимальный ток нагрузки.

Регулятор собирается в пластмассовом корпусе. На верхней панели крепятся тумблер, переменный резистор, держатель предохранителя и розетка. Трансформатор, диодный блок и симистор устанавливаются на дне корпуса. Симистор необходимо снабдить теплорассеивающим радиатором толщиной 1 — 2 мм и площадью не менее 14 см2. В одной из боковых стенок корпуса просверлите отверстие для сетевого шнура.

Устройство не нуждается в налаживании и при правильном монтаже и исправных деталях начинает работать сразу после включения в сеть.

ПОЛЬЗУЯСЬ РЕГУЛЯТОРОМ, НЕ ЗАБЫВАЙТЕ О МЕРАХ БЕЗОПАСНОСТИ. ВСКРЫВАТЬ КОРПУС МОЖНО, ТОЛЬКО ОТКЛЮЧИВ ПРИБОР ОТ СЕТИ!

Сетевой адрес, позволяющий идентифицировать сайт в сети «Интернет», включен в Реестр доменных имен, указателей страниц сайтов в сети «Интернет» и сетевых адресов, позволяющих идентифицировать сайты в сети «Интернет», содержащие призывы к массовым беспорядкам, осуществлению экстремистской деятельности, участию в массовых (публичных) мероприятиях, проводимых с нарушением установленного порядка.

Доступ ограничен по решению суда или по иным основаниям, установленным законодательством Российской Федерации.

Сетевой адрес, позволяющий идентифицировать сайт в сети «Интернет», включен в Единый Реестр доменных имен, указателей страниц сайтов сети «Интернет» и сетевых адресов, позволяющих идентифицировать сайты в сети «Интернет», содержащие информацию, распространение которой в Российской Федерации запрещено.

Сетевой адрес, позволяющий идентифицировать сайт в сети «Интернет», включен в Реестр доменных имен, указателей страниц сайтов в сети «Интернет» и сетевых адресов, позволяющих идентифицировать сайты в сети «Интернет», содержащие информацию, распространяемую с нарушением исключительных прав.

Сетевой адрес, позволяющий идентифицировать сайт в сети «Интернет», включен в Реестр доменных имен, указателей страниц сайтов в сети «Интернет» и сетевых адресов, позволяющих идентифицировать сайты в сети «Интернет», содержащие призывы к массовым беспорядкам, осуществлению экстремистской деятельности, участию в массовых (публичных) мероприятиях, проводимых с нарушением установленного порядка.

Сетевой адрес, позволяющий идентифицировать сайт в сети «Интернет», включен в Федеральный список экстремистских материалов.

Сетевой адрес, позволяющий идентифицировать сайт в сети «Интернет», включен в Реестр нарушителей прав субъектов персональных данных.

Учитывая тот факт, что обычные SCR тиристоры довольно легко «запускать» как есть, то практическое преимущество использования еще более чувствительного устройства (MOSFET) для инициирования запуска является спорным решением. Кроме того, размещение MOSFET транзистора на входном управляющем электроде делает невозможным отключение (запирание) тиристора с помощью сигнала обратного переключения. Только сброс из-за малого тока сможет привести к тому, чтобы это устройство перестало проводить ток после того, как было отперто.

Две сравнительно недавние технологии, предназначенные для снижения требований к «управлению» (к отпирающему току управляющего электрода) классическими тиристорными устройствами, – это тиристор с МОП управляющим электродом (MOS-gated thyristor, MGT) и МОП-управляемый тиристор (MOS Controlled Thyristor, MCT).

Тиристор с МОП управляющим электродом использует MOSFET транзистор для инициирования проводимости тока через верхний (PNP) транзистор стандартной тиристорной структуры, тем самым отпирая устройство. Поскольку MOSFET транзистор для «запуска» (приводящего к его насыщению) требует незначительного тока, это делает тиристор в целом очень простым для запуска (рисунок ниже).

Эквивалентная схема тиристора с МОП управляющим электродом

Учитывая тот факт, что обычные SCR тиристоры довольно легко «запускать» как есть, то практическое преимущество использования еще более чувствительного устройства (MOSFET) для инициирования запуска является спорным решением. Кроме того, размещение MOSFET транзистора на входном управляющем электроде делает невозможным отключение (запирание) тиристора с помощью сигнала обратного переключения. Только сброс из-за малого тока сможет привести к тому, чтобы это устройство перестало проводить ток после того, как было отперто.

Возможно, более высокое значение имело бы устройство, которое было бы полностью управляемым тиристором, в результате чего малый сигнал управляющего электрода мог бы запускать тиристор и заставлять его запираться. Такое устройство действительно существует, и оно называется МОП-управляемым тиристором (MOS Controlled Thyristor, MCT). Он использует пару MOSFET транзисторов, подключенных к общему управляющему электроду, один для отпирания тиристора, а другой для запирания (рисунок ниже).

Эквивалентная схема МОП-управляемого тиристора (MCT тиристора)

Тиристор — не полностью управляющий ключ. Если есть ток удержания, то перейдя в открытое состояние, тиристор остается в нем, даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход.

Основные характеристики тиристоров, на которые стоит обратить внимание при покупке

• Максимально допустимый ток. Эта величина характеризует наибольшее значение тока открытого тиристора. У мощных устройств она составляет несколько сотен ампер.
• Максимально допускаемый обратный ток.
• Прямое напряжение. Этот параметр тиристора равен падению напряжения при максимально возможном токе.
• Обратное напряжение. Характеризует максимально допустимое напряжение на устройстве, находящемся в закрытом состоянии, при котором оно не утрачивает способность выполнять свои функции.
• Напряжение включения. Это наименьшая величина, при которой возможно функционирование тиристора.
• Минимальный ток управляющего электрода. Равен величине тока, которого достаточно для активации устройства.
• Наибольшая допустимая рассеиваемая мощность.

Всё тоже самое, только с другой стороны.

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

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).

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).

Рис.2

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

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

Рис.3

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

Рис.4

Всё тоже самое, только с другой стороны.

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