Какими способами можно перевести тиристор из открытого состояния в закрытое и из закрытого состояния открытое.
Какими способами можно перевести тиристор из открытого состояния в
закрытое и из закрытого состояния открытое.
Голосование за лучший ответ
Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое ( включение) может быть осуществлен двумя способами: подачей на анод напряжения, большего, чем напряжение включения, или пропусканием через промежуток управляющий электрод — катод положительного управляющего тока определенного значения.
Перевод тиристора из з а к р ы т о г о состояния в о т к р ы т о е при положительном напряжении на аноде может быть осуществлен тремя способами: повышением приложенного напряжения вплоть до напряжения переключения — включение по аноду ( диодный тиристор. [5]
Для перевода тиристора ( или симметричного тиристора) в запертое состояние необходимо обеспечить спадание протекающего через него прямого тока до нуля. В течение времени удаления этих накопленных зарядов через тиристор протекает обратный ток, который после удаления зарядов падает практически до нуля, и обратное напряжение на тиристоре возрастает до значения, определяемого напряжением подключенного к нему источника. Однако для того чтобы тиристор мог снова выдерживать без включения прямое напряжение, необходимо некоторое время. Это время, в течение которого происходит восстановление запирающей способности тиристора, обусловлено процессом рекомбинации носителей в области среднего перехода, который мало зависит от внешнего напряжения. [6]
Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо удалить из базовых областей накопленный за время проводимости избыточный заряд носителей. [7]
АГП), при тиристорном возбуждении — переводом тиристоров в инверторный режим, при бесшл-точном возбуждении — переводом в инверторный режим тиристоров в цепи возбуждения возбудителя Тип системы возбуждения оказывает также прямое или косвенное в и — яние на выполнение защит генераторов. При тиристорной системе с самовозбуждением при отсутствии специальных последовательных трехфазных трансформаторов, включаемых в фазы со стороны выводов к нейтрали генератора, требуется принятие мер к обеспечению работы защит с выдержками времени при КЗ на выводах генератора или даже за повышающим трансформатором блока, когда питание цепей возбуждения нарушается. [8]
Если же тиристор выполнен с третьим электродом, выполняющим функции органа управления ЗУ ( см. рис, 6.20, в), то перевод тиристора из закрытого состояния открытое может быть выполнен также с помощью тока управления. Такие тиристоры называют управляемыми. [9]
Крутой задний фронт способствует перезаряду емкости перехода / з до величины, при которой он может отпереться, в результате создаются условия для перевода тиристора во включенное состояние. [10]
Перевод тиристора в проводящее состояние можно осуществить облучением полупроводниковой структуры ( 02 слоя на рис. 7 а) световым потоком, под действием которого в p — n — переходе П2 увеличивается число носителей заряда, необходимое дпя отпирания прибора. [11]
Как перевести тиристор в закрытое состояние
Рис 1.9. Структура и внешние цепи тиристора
, Если к аноду прибора приложено отрицательное напряжение относительно катода, то переходы I и III будут смещены в обратном направлении (закрыты), а переход II — в прямом (открыт). В результате тиристор оказывается в закрытом состоянии, которое не может быть изменено подачей положительного напряжения на управляющий электрод (относительно катода), т. е. воздействием на цепь управления.
Если к аноду тиристора подключить плюс источника постоянного напряжения, а к катоду минус, то переходы I и III оказываются смещенными в прямом направлении, а переход II — в обратном (закрыт). При отсутствии управляющего импульса (т. е. напряжения на управляющем электроде) тиристор остается в закрытом состоянии, а напряжение источника приложено к переходу II. Для того чтобы тиристор перешел в проводящее состояние, необходимо обеспечить протекание через управляющий электрод определенного тока iG. Так как к аноду тиристора приложено прямое напряжение относительно катода, ток iG переведет тиристор в проводящее состояние.
Перевод тиристора в проводящее состояние может быть также осуществлен облучением его полупроводниковой структуры световым потоком. На использовании этого эффекта разработаны тиристоры, управляемые светом,— фототиристоры. В основе принципа действия фототиристора лежит явление генерации носителей заряда в полупроводнике, точнее, в р-п переходе II (рис. 1.9), находящемся под воздействием светового потока. Для управления фототиристором в его корпусе предусмотрено окно для пропускания светового потока. Существенным преимуществом фототиристоров перед тиристорами, управляемыми электрическим сигналом, является отсутствие гальванической связи между силовыми приборами и системой их управления.
Тиристор с четырехслойной р-п-р-п структурой, как и диод, обладает односторонней проводимостью. Для электрических цепей переменного тока разработан специальный прибор —
симметричный тиристор (симистор), который может быть в проводящем состоянии в обоих направлениях (т. е. независимо от полярности приложенного к нему напряжения). Управление симистором производится так же, как и тиристором. Симметричный тиристор в отличие от тиристора имеет пять чередующихся слоев с проводимостями р- и я-типа.
Для перевода тиристора (или симистора) в закрытое состояние необходимо обеспечить спадание протекающего через него прямого тока до нуля. При этом начинается процесс рассасывания накопленных в полупроводниковой структуре зарядов (дырок и электронов). В течение времени удаления этих накопленных зарядов через тиристор протекает обратный ток, который после удаления зарядов падает практически до нуля, и обратное напряжение на тиристоре возрастает до значения, определяемого напряжением подключенного к нему источника. Однако для того чтобы тиристор мог снова выдерживать без включения прямое напряжение, необходимо некоторое время. Это время выключения тиристора, в течение которого происходит восстановление его запирающей способности, обусловлено процессом рекомбинации носителей в области среднего перехода, который мало зависит от внешнего напряжения.
Вольт-амперные характеристики тиристора при различных токах управления приведены на рис. 1.10, а. При обратном напряжении эта характеристика у тиристора такая же, как и у диода (у некоторых типов тиристоров обратная ветвь соответствует характеристике лавинного диода).
Ветви характеристики, соответствующие области прямого напряжения, зависят от тока управления и при достаточном его значении практически совпадают с аналогичной ветвью вольт-амперной характеристики диода. При отсутствии управляющего тока тиристор будет находиться в закрытом состоянии до тех пор, пока прямое напряжение не превысит
определенного для данного типа тиристора значения, после чего он перейдет в проводящее состояние. Включение тиристора прямым напряжением обычно соответствует аварийным режимам.
Поскольку включение тиристора зависит от управляющего тока, то в информационных материалах обычно приводят также диаграмму вольт-амперных характеристик управляющего электрода (входных) /g=/(«g) (Рис- 110, б). На ней приводятся предельные характеристики (кривые / и 2). Кривая 1 соответствует прибору с максимальным входным сопротивлением при минимально допустимой температуре, а кривая 2 — прибору с минимальным входным сопротивлением при максимально допустимой температуре. Сверху и справа диаграмма ограничивается прямыми, соответствующими предельно допустимым значениям тока управления IGmax и напряжения на управляющем электроде UG тах (в зависимости от температуры). Внизу диаграммы также указывают область (на рис. 1.10,6 эта область заштрихована), которая ограничена минимальными значениями тока и напряжения, необходимыми для включения любого тиристора данного типа. Кроме того, на диаграмме обычно приводятся кривые допустимой мощности на управляющем электроде для различных значений длительности управляющих импульсов (например, кривые 3 и 3).
Большинство типов тиристоров включаются токами со значениями несколько сотен миллиампер при напряжении на управляющем электроде, не превышающем 10 В. Длительность управляющего импульса должна быть больше нескольких десятков микросекунд (в зависимости от типа тиристора). Для четкого и быстрого включения тиристора управляющие импульсы должны иметь крутой фронт (около 1 мкс).
Некоторые параметры, которыми характеризуются тиристоры, аналогичны параметрам, указанным выше для диодов. Кроме того, в технических условиях, помимо параметров цепи управления, обычно указываются:
1.Время включения tgt тиристора. Это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения анодного напряжения на тиристоре до 10% начального значения при работе тиристора на активную нагрузку.
2.Время выключения tq тиристора (называемое также временем восстановления запирающей способности тиристора). Это время от момента, когда прямой ток становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать (не открываясь) напряжение, прикладываемое в прямом направлении с определенной амплитудой и скоростью нарастания.
3.Критическая скорость нарастания прямого напряжения (duD/dt)„it. Это максимально допустимое значение скорости
нарастания прямого напряжения при разомкнутой цепи управляющего электрода. При превышении допустимого значения (duD/dt)„it происходит самопроизвольное включение тиристора.
4.Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (diTldt)crit. Это наибольшее значение скорости нарастания тока в открытом состоянии, которую тиристор может выдержать без повреждения.
5.Ток в закрытом состоянии тиристора ID. Это анодный ток тиристора в закрытом состоянии.
6.Ток в открытом состоянии тиристора 1Н. Это наименьший анодный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии.
Ток 1Н необходимо учитывать при расчете минимальных нагрузок тиристорных преобразователей. Обычно для мощных тиристорой этот ток равен нескольким сотням миллиампер и зависит от температуры.
Согласно [1 ] в обозначении тиристора должны содержаться следующие элементы:
буква Т, обозначающая тиристор, и буква, обозначающая вид тиристора (Б — быстродействующий, С — симметричный, Ч — быстровыключающийся и др.);
три цифры, характеризующие типоразмерный ряд и другие конструктивные данные; /
число, указывающее средний ток в амперах;
класс по напряжению и номера групп по критической скорости нарастания напряжения, временам включения и выключения и др.
Например, тиристор быстродействующий типа ТБ-133 на ток 250 Д, восьмого класса, с критической скоростью нарастания напряжения по группе 5 и временам выключения по группе 2 обозначается: ТБ-133-250-8-52.
Современные наиболее мощные тиристоры имеют предельный ток 3000—4000 А и напряжение до 6000. В. При этом критическая скорость нарастания напряжения достигает 1000 В/мкс, а тока (1000—1500) А/мкс. Время выключения наиболее быстродействующих мощных тиристоров не превышает нескольких единиц, микросекунд. .
В схемах многих «типов преобразователей к тиристорам подключаются встречно-параллельные диоды, шунтирующие тиристор при появлении на нем обратного напряжения. В таких случаях обратное напряжение на тиристоре становится малым и не превышает значений прямого падения напряжения на диодах (как правило, долей вольта). Это обусловило разработку других типов тиристоров — асимметричных (AT) и тиристоров с обратной проводимостью (ТОП). В отечественных стандартах они определяются как тиристоры, проводящие ъ обратном направлении и обозначаются ТП. Для тиристоров, проводящих
в обратном направлении и допускающих работу в обратном направлении в качестве диода, введено обозначение ТД (ти-ристодиод) [1 ].
Асимметричные тиристоры получаются введением в структуру тиристора дополнительного слоя с проводимостью и-типа. В результате значение обратного напряжения, выдерживаемого тиристором без, его включения, значительно снижается (до нескольких десятков вольт). Однако при этом существенно (в 2 — 3 раза) уменьшается время выключения тиристора. Такими же свойствами обладает и тиристор с обратной проводимостью, имеющий подобно AT пятислойную структуру и дополнительное диодное кольцо. Быстродействие тиристоров AT и ТОП позволяет использовать их в схемах с повышенными частотами. Рациональная область использования AT и ТОП — преобразователи средней мощности.
Запираемые тиристоры (ЗТ). Тиристор Имеет принципиальный недостаток — неполную управляемость. Для его выключения необходимо обеспечить спад прямого тока до нуля, что достигается во многих схемах электронных устройств введением дополнительных узлов принудительной (искусственной) коммутации. Последние выполняются на основе энергонакопительных устройств (обычно конденсаторов), подключение которых в соответствующей полярности к проводящему тиристору создает условия для спадания до нуля прямого тока тиристора. Эти дополнительные коммутирующие узлы утяжеляют тири-сторное устройство и значительно ухудшают его технико-экономические характеристики. Поэтому параллельно с разработкой тиристоров проводились исследования возможности их выключения по управляющему электроду путем подачи на него отрицательного управляющего импульса. Однако положительные результаты этих исследований долгое время ограничивались созданием относительно небольших по значениям тока (до нескольких десятков ампер) ЗТ, что ограничивало их конкурентоспособность по напряжению к силовым транзисторам. В то же время развитие схемотехники преобразовательных устройств постоянно повышало актуальность решения этой проблемы. В результате интенсификации работ в этом направлении, а также благодаря достижениям в области технологии силовых полупроводниковых приборов за последние десять лет были созданы и постоянно совершенствуются мощные ЗТ.
Высокие технические характеристики ЗТ достигаются главным образом за счет изменения структуры ЗТ по сравнению со структурой тиристоров. В частности, в структурах ЗТ обеспечивается высокая проводимость зоны управляющего элемента, что позволяет более интенсивно блокировать протекание прямого тока при подаче на управляющий электрод
отрицательного относительно катода импульса. Важную роль в решении этой задачи сыграло совершенствование технологии полупроводниковых приборов, которое позволило обеспечить однородность электрических свойств/ отдельных слоев структуры и воз-, можность управления временем жизни носителей в процессе изготовления прибора.
Рис. 1.11. Типовая схема включения запираемого тиристора
Для включения и выключения ЗТ обычно используются два отдельных источника напряжения (рис. 1.11). При выключении ЗТ следует стремиться обеспечить оптимальную (по времени выключения и коммутационным потерям мощности) скорость нарастания тока управления. Это может быть достигнуто введением соответствующего значения индуктивности в цепь управления по выключению. Схема управления ЗТ должна обеспечивать: мощные импульсы токов включения и выключения, длительный ток управления при малых нагрузках тиристора, длительное отрицательное запирающее напряжение для надежного выключения тиристора. Коэффициент запирания (отношение выключаемого анодного тока к запирающему току управления) обычно не превышает 5. Следует отметить, что ЗТ более критичны к скорости нарастания прямого напряжения, чем тиристоры, и поэтому рекомендуется, как правило, шунтировать ЗТ цепью, состоящей из конденсатора С, резистора r и диода vd, а для ограничения значения анодного тока при включении последовательно с ЗТ включить насыщающийся дроссель l (рис. 1.11). Параметры коммутируемых токов и напряжений современными ЗТ приближаются к аналогичным параметрам тиристоров. Так, например, лучшие образцы ЗТ, разработанные в 1986 г. фирмами Японии, рассчитаны на тапряжение до 4500 В и ток до 2500 А.
1.1.4. ПРИМЕНЕНИЕ СИЛОВГХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
Тиристоры и силовые диоды пока остаются основными приборами в области преобразования сверхвысоких мощностей (до нескольких гигавольт-ампер), например, в высоковольтных линиях электропередачи постоянного тока. Новые приборы находят широкое применение в агрегатах беснеребойного
Тиристоры для чайников
Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.
На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно тут.
Классификация
В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.
Принцип работы
Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.
В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.
К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.
Общие параметры тиристоров
1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность
Заключение
Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.
- полупроводниковые приборы
- электроника для начинающих
- электроника
- тиристор
Принцип действия и область применения силовых тиристоров.
Тиристор — это устройство, обладающее свойствами полупроводника, в основе конструкции которого лежит монокристаллический полупроводник, имеющий три или больше p-n-переходов , выполняющее функцию силового электронного ключа .
Его работа подразумевает наличие двух стабильных фаз:
- «закрытая» (уровень проводимости низкий);
- «открытая» (уровень проводимости высоки).
Другое его наименование — однооперационный тиристор. 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.
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 тиристора. 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.
Фазовый.
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.
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.