Войти
 Тиристор | |
| Тип | Активный |
|---|---|
| Первый выпуск | 1956 |
| Конфигурация контактов | анод, затвор и катод |
| Электронный символ | |
 | |
A тиристор () представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство с четырьмя слоями чередующихся материалов P- и N-типа. Он действует исключительно как бистабильный переключатель , проводящий, когда затвор получает триггер тока, и продолжает проводить, пока напряжение на устройстве не изменится на обратное смещение или пока напряжение не будет снято (каким-либо другим способом). Есть две конструкции, различающиеся тем, что запускает проводящее состояние. В трехвыводном тиристоре небольшой ток на его выводе затвора управляет большим током на пути от анода к катоду. В двухпроводном тиристоре проводимость начинается, когда разность потенциалов между анодом и катодом достаточно велика (напряжение пробоя).
Некоторые источники определяют кремниевый выпрямитель (SCR) и тиристор как синонимы. Другие источники определяют тиристоры как более изысканно сконструированные устройства, которые включают по крайней мере четыре слоя чередующихся подложек N-типа и P-типа.
Первые тиристорные устройства были коммерчески выпущены в 1956 году. Поскольку тиристоры могут управлять относительно большой мощностью и напряжением с помощью небольшого устройства, они находят широкое применение в управлении электроэнергией, начиная от светорегулятора . и управление скоростью электродвигателя для высоковольтной передачи постоянного тока. Тиристоры могут использоваться в схемах переключения мощности, схемах замены реле, схемах инвертора, схемах генераторов, схемах датчиков уровня, схемах прерывателей, схемах диммирования света, схемах недорогих таймеров, логических схемах, схемах управления скоростью, фазовых схемы управления и т. д. Первоначально для отключения тиристоров требовалось только реверсирование тока, что затрудняло их применение для постоянного тока; более новые типы устройств можно включать и выключать с помощью управляющего сигнала. Последний известен как тиристор выключения затвора или тиристор GTO. Тиристор не является пропорциональным устройством, как транзистор . Другими словами, тиристор может быть только полностью включен или выключен, а транзистор может находиться между включенным и выключенным состояниями. Это делает тиристор не подходящим в качестве аналогового усилителя, но полезным в качестве переключателя.
Тиристор представляет собой четырехслойный трехконтактный полупроводниковый прибор, каждый слой которого поочередно состоит из N-типа или материал P-типа, например PNPN. Основные выводы, обозначенные как анод и катод, расположены на всех четырех слоях. Управляющий вывод, называемый затвором, прикреплен к материалу p-типа рядом с катодом. (Вариант, называемый SCS - кремниевый управляемый переключатель - выводит все четыре слоя на клеммы.) Работа тиристора может быть понята с точки зрения пары плотно связанных транзисторов с биполярным переходом, расположенных так, чтобы вызывать самоблокирующееся действие:
Структура на физическом и электронном уровне и символ тиристора.Тиристоры имеют три состояния:
Тиристор имеет три pn-перехода (последовательно названные J 1, J 2, J 3 от анода).
Слойная диаграмма тиристора. Когда анод находится под положительным потенциалом V AK по отношению к катоду без напряжения на затворе, переходы J 1 и J 3 смещены в прямом направлении, а переход J 2 смещены в обратном направлении. Поскольку J 2 имеет обратное смещение, проводимость не происходит (состояние выключено). Теперь, если V AK превышает напряжение пробоя V BO тиристора, происходит лавинный пробой из J 2 и тиристор начинает проводить (В состоянии).
Если на вывод затвора по отношению к катоду приложен положительный потенциал V G, пробой перехода J 2 происходит при более низком значении V АК. Выбрав соответствующее значение V G, тиристор можно быстро переключить во включенное состояние.
Как только произошел лавинный пробой, тиристор продолжает проводить, независимо от напряжения затвора, до тех пор, пока: (a) не будет снят потенциал V AK или (b) ток через устройство (анод-катод) становится меньше тока удержания, указанного производителем. Следовательно, V G может быть импульсом напряжения, например, выходным напряжением от релаксационного генератора UJT .
. Импульсы затвора характеризуются с точки зрения напряжения запуска затвора (В GT) и ток срабатывания затвора (I GT). Ток запуска затвора изменяется обратно пропорционально ширине импульса затвора, поэтому очевидно, что для запуска тиристора требуется минимальный заряд затвора .
Вольт-амперные характеристики. В обычном тиристоре, после того, как он был включен клеммой затвора, устройство остается заблокированным во включенном состоянии (т.е. не требует непрерывная подача тока затвора, чтобы оставаться во включенном состоянии), при условии, что анодный ток превышает ток фиксации (I L). Пока анод остается смещенным положительно, его нельзя выключить, если ток не упадет ниже тока удержания (I H). В нормальных рабочих условиях ток фиксации всегда больше тока удержания. На приведенном выше рисунке I L должен быть выше I H по оси Y, поскольку I L>IH.
Тиристор может быть отключен, если внешняя цепь вызывает отрицательное смещение анода. смещенный (метод, известный как естественная или линейная коммутация). В некоторых приложениях это делается путем переключения второго тиристора для разряда конденсатора на аноде первого тиристора. Этот метод называется принудительной коммутацией.
После того, как ток в тиристоре погаснет, должна пройти конечная временная задержка, прежде чем анод сможет снова получить положительное смещение и удерживать тиристор в выключенном состоянии. Эта минимальная задержка называется временем коммутируемого выключения схемы (t Q). Попытка смещения анода в течение этого времени вызывает самозапуск тиристора оставшимися носителями заряда (дырками и электронами ), которые еще не рекомбинировали.
Для приложений с частотами выше, чем частота домашней сети переменного тока (например, 50 Гц или 60 Гц), требуются тиристоры с более низкими значениями t Q. Такие быстрые тиристоры могут быть изготовлены путем диффузии ионов тяжелых металлов , таких как золото или платина, которые действуют как центры комбинации зарядов, в кремний. Сегодня быстрые тиристоры чаще всего изготавливают с помощью электронного или протонного облучения кремния или ионной имплантации. Облучение более универсально, чем легирование тяжелыми металлами, поскольку оно позволяет тонко регулировать дозировку даже на довольно поздней стадии обработки кремния.
Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) или тиристор, предложенный Уильямом Шокли в 1950 году и защищенный Моллом и другими в Bell Labs, был разработан в 1956 году инженерами-энергетиками компании General Electric (GE) под руководством Гордона Холла и коммерциализирован Фрэнком В. «Биллом» Гуцвиллером из GE. Институт инженеров по электротехнике и электронике признал изобретение, разместив мемориальную доску на месте изобретения в Клайде, штат Нью-Йорк, и объявив его исторической вехой IEEE.
Группа из шести тиристоров на 2000 А (белые диски, расположенные в ряд вверху и видимые с ребра) Более раннее газонаполненное трубчатое устройство называлось тиратрон обеспечивает аналогичную возможность электронного переключения, когда небольшое управляющее напряжение может переключать большой ток. Термин «тиристор» образован от комбинации «тиратрон» и «транзистор ».
Формы сигналов в выпрямленной схеме с несколькими тиристорами, управляющей переменным током.. Красная диаграмма: напряжение нагрузки (выход).. Синяя диаграмма: триггерное напряжение. Тиристоры в основном используются при высоких токах и напряжениях и часто используются для управления переменными токами, где изменение полярности тока вызывает автоматическое отключение устройства, что называется операцией «пересечение нуля ». Можно сказать, что устройство работает синхронно; состоит в том, что после срабатывания устройства оно проводит ток синфазно с напряжением, приложенным к его катоду к анодному переходу, без дополнительной модуляции затвора, то есть устройство полностью смещено. Это не следует путать с асимметричным режимом работы, поскольку выходной сигнал является однонаправленным, протекает только от катода к аноду, и поэтому имеет асимметричный характер.
Тиристоры могут использоваться в качестве элементов управления для контроллеров, запускаемых по углу фазы, также известных как контроллеры с фазным возбуждением.
. Их также можно найти в источниках питания для цифровых схем, где они используются как своего рода «расширенный автоматический выключатель », чтобы предотвратить повреждение компонентов нижестоящих компонентов из-за сбоя в источнике питания. Тиристор используется вместе с стабилитроном , прикрепленным к его затвору, и если выходное напряжение источника питания поднимается выше напряжения стабилитрона, тиристор проводит и закорачивает выход источника питания на землю ( обычно также отключает автоматический выключатель или предохранитель ). Этот вид схемы защиты известен как лом и имеет преимущество перед стандартным автоматическим выключателем или предохранителем в том, что он создает путь с высокой проводимостью к земле для разрушающего напряжения питания и, возможно, для накопленной энергии в система запитана.
Первое крупномасштабное применение тиристоров с соответствующим запуском diac в потребительских товарах, связанных со стабилизированными источниками питания в цветных телевизионных приемниках в начале 1970-х годов. Стабилизированный источник постоянного высокого напряжения для приемника был получен перемещением точки переключения тиристорного устройства вверх и вниз по наклону спада положительной половины входа источника переменного тока (если использовался наклон нарастания, выходное напряжение всегда возрастало бы в сторону пиковое входное напряжение при срабатывании устройства и, таким образом, нарушение цели регулирования). Точная точка переключения определялась нагрузкой на выходной источник постоянного тока, а также колебаниями входного переменного тока.
Тиристоры десятилетиями использовались в качестве регуляторов света в телевидении, кино и театре, где они заменили низшие технологии, такие как автотрансформаторы и реостаты. Они также использовались в фотографии в качестве важной части вспышек (стробоскопов).
Тиристоры могут срабатывать при высокой скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии. Этого можно избежать, подключив цепь резистора - конденсатора (RC) демпфера между анодом и катодом, чтобы ограничить dV / dt (т. Е. Скорость изменение напряжения со временем). Демпферы - это энергопоглощающие цепи, используемые для подавления скачков напряжения, вызванных индуктивностью цепи при размыкании переключателя, электрического или механического. Наиболее распространенная демпфирующая схема - это конденсатор и резистор, последовательно включенные через переключатель (транзистор).
Зал с клапанами, содержащий тиристорные клапаны, используемые для передачи электроэнергии на большие расстояния от Manitoba Hydro плотин С современных тиристоры могут переключать мощность в масштабе мегаватт, тиристорные вентили стали сердцем преобразования постоянного высокого напряжения (HVDC) в переменный ток или из него. В области этого и других приложений с очень высокой мощностью, по-прежнему предпочтительны тиристоры с электрическим запуском (ETT) и световым запуском (LTT). Тиристоры объединены в схему диодного моста и для уменьшения гармоник соединены последовательно с образованием 12-импульсного преобразователя. Каждый тиристор охлаждается деионизированной водой, и вся конструкция становится одним из множества идентичных модулей, образующих слой в многослойном блоке клапанов, который называется четырехклапанным клапаном. Три таких стека обычно устанавливаются на полу или подвешиваются к потолку вентильного зала системы передачи данных на большие расстояния.
Функциональный Недостатком тиристора является то, что он, как и диод, проводит только в одном направлении. Подобное пятиуровневое устройство с автоматической фиксацией, называемое TRIAC, может работать в обоих направлениях. Однако эта дополнительная возможность также может стать недостатком. Поскольку TRIAC может проводить в обоих направлениях, реактивные нагрузки могут привести к тому, что он не отключится в моменты нулевого напряжения цикла питания AC. Из-за этого использование TRIAC с (например) сильно индуктивной нагрузкой двигателя обычно требует использования цепи «демпфера » вокруг TRIAC, чтобы гарантировать, что он будет отключаться с каждым полупериод сетевого питания. Обратно-параллельный тиристоры также могут использоваться вместо симистора; Поскольку к каждому SCR в паре приложен полный полупериод обратной полярности, SCR, в отличие от TRIAC, обязательно отключатся. Однако «цена», которую придется заплатить за это устройство, - это добавленная сложность двух отдельных, но по существу идентичных схем стробирования.
Хотя тиристоры широко используются в выпрямлении переменного тока в постоянный мегаватт, в приложениях малой и средней мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких десятков киловатт) они практически были заменены другими устройствами с превосходными характеристиками переключения, такими как силовые MOSFET или IGBT. Одна из основных проблем, связанных с SCR, заключается в том, что они не являются полностью управляемыми переключателями. Тиристор GTO и IGCT - это два устройства, связанных с тиристором, которые решают эту проблему. В высокочастотных приложениях тиристоры - плохие кандидаты из-за длительного времени переключения из-за биполярной проводимости. С другой стороны, полевые МОП-транзисторы имеют гораздо более быструю коммутационную способность из-за их униполярной проводимости (только основные несущие несут ток).
Производители тиристоров обычно указывают область безопасного зажигания, определяющую допустимые уровни напряжения и тока для данной рабочей температуры. Граница этой области частично определяется требованием, чтобы максимально допустимая мощность затвора (P G), указанная для данной длительности импульса запуска, не превышалась.
А также обычные режимы отказа из-за превышения номинальных значений напряжения, тока или мощности, тиристоры имеют свои особые режимы отказа, в том числе:
В последние годы некоторые производители разработали скошенные тиристоры, использующие карбид кремния (SiC) в качестве полупроводникового материала. Они применяются в условиях высоких температур и могут работать при температурах до 350 ° C.
Тиристор с обратной проводимостью (RCT) имеет встроенный обратный диод , поэтому обратная блокировка невозможна. Эти устройства полезны там, где необходимо использовать обратный диод или диод свободного хода. Поскольку SCR и диод никогда не проводят одновременно, они не выделяют тепло одновременно и могут быть легко объединены и охлаждены вместе. Тиристоры с обратной проводимостью часто используются в преобразователях частоты и инверторах.
Электронный символ для светового тиристора (LASCR) Фототиристоры активируются светом. Преимуществом фототиристоров является их нечувствительность к электрическим сигналам, что может вызвать сбои в работе в электрически зашумленной среде. Управляемый светом тиристор (LTT) имеет на затворе оптически чувствительную область, в которую электромагнитное излучение (обычно инфракрасное ) вводится с помощью оптического волокна. Поскольку для его срабатывания не требуется наличие электронных плат на потенциале тиристора, световые тиристоры могут быть преимуществом в высоковольтных приложениях, таких как HVDC. Доступны световые тиристоры со встроенной защитой от перенапряжения (VBO), которая запускает тиристор, когда прямое напряжение на нем становится слишком высоким; они также были сделаны со встроенной защитой прямого восстановления, но не на коммерческой основе. Несмотря на упрощение, которое они могут внести в электронику клапана HVDC, для тиристоров с управляемым светом все еще может потребоваться простая контрольная электроника, и они доступны только у нескольких производителей.
Два обычных фототиристора включают активируемый светом SCR (LASCR) и активируемый светом TRIAC. LASCR действует как переключатель, который включается при воздействии света. После воздействия света, когда свет отсутствует, если питание не отключено и полярности катода и анода еще не поменялись местами, LASCR все еще находится во включенном состоянии. Активируемый светом TRIAC похож на LASCR, за исключением того, что он предназначен для переменных токов.
Портал электроники  | Викискладе есть материалы, связанные с Тиристорами. |
 | Найдите тиристор в Викисловаре, бесплатном словаре. |
