Что такое тиристор и как он работает

Устройство и принцип работы

Устройство тиристора выглядит следующим образом:

1. 4 полупроводниковых элемента имеют последовательное соединение друг с другом, они различаются по типу проводимости.
2. В конструкции имеется анод – контакт к внешнему слою полупроводника и катод, такой же контакт, но к внешнему n-слою.
3. Всего имеются не более 2 управляющих электродов, которые подсоединены к внутренним слоям полупроводника.
4. Если в устройстве полностью отсутствуют управляющие электроды, то такой прибор является особой разновидностью – динистором. При наличии 1 электрода, прибор относится к классу тринисторов. Управление может осуществляться через анод или катод, данный нюанс зависит от того, к какому слою был подключен управляющий электрод, но на сегодняшний день наиболее распространен второй вариант.
5. Данные приборы могут подразделяться на виды, в зависимости от того, пропускают они электрический ток от анода к катоду или сразу в обоих направлениях. Второй вариант устройства получил название симметричные тиристоры, обычно состоящие из 5 полупроводниковых слоев, по своей сути они являются симисторами.
6. При наличии в конструкции управляющего электрода, тиристоры могут быть разделены на запираемую и незапираемую разновидность. Отличие второго вида заключается в том, что такой прибор не может быть никаким способом переведен в закрытое состояние.

Принцип действия тиристора, подключенного к цепи постоянного тока, заключается в следующем:

1. Включение прибора происходит благодаря получению цепью импульсов электрического тока. Подача происходит на полярность, которая является положительной относительно катода.
2. На протяженность процесса перехода оказывает влияние целый ряд различных факторов: вид нагрузки; температура полупроводникового слоя; показатель напряжения; параметры тока нагрузки; скорость, с которой происходит нарастание управляющего тока и его амплитуда.
3. Несмотря на значительную крутизну управляющего сигнала, скорость нарастания напряжения не должна достигать недопустимых показателей, поскольку это может вызвать внезапное отключение прибора.
4. Принудительное отключение устройства может быть осуществлено разными способами, наиболее распространен вариант с подключением в схему коммутирующего конденсатора, обладающего обратной полярностью. Такое подключение может происходить благодаря наличию второго (вспомогательного) тиристора, который спровоцирует возникновение разряда на основной прибор. В таком случае, разрядный ток, прошедший через коммутирующий конденсатор, столкнется с прямым током основного прибора, что понизит его значение до нулевого показателя и вызовет отключение.

принцип работы

Немного отличается принцип действия тиристора, подключенного к цепи переменного тока:

1. В таком положении прибор может осуществлять включение или отключение цепей с разными типами нагрузки, а также изменять значения электрического тока через нагрузку. Это происходит благодаря возможности тиристорного прибора изменять момент, в который осуществляется подача управляющего сигнала.
2. При подключении тиристора в подобные цепи, применяется исключительно встречно-параллельное включение, поскольку он может проводить ток лишь в одном направлении.
3. Показатели электрического тока изменяются благодаря внесению изменений в момент, когда происходит передача открывающих сигналов на тиристоры. Этот параметр регулируется при помощи специальной системы управления, относящейся к фазовой либо широтно-импульсной разновидности.
4. При использовании фазового управления, кривая электрического тока будет обладать несинусоидальной формой, это также вызовет искажение формы и напряжения в электросети, от которой происходит питание внешних потребителей. Если они обладают высокой чувствительностью к высокочастотным помехам, то это может вызвать сбои в процессе функционирования.

Проверка мультиметром

Это самый простой вариант для проверки. В этом методе анод и контакты УЭ подключаются к прибору для измерения (мультиметру). Роль постоянного источника тока здесь играют батареи мультиметра. В качестве индикатора – стрелки или цифровые показатели.

Что нужно, чтобы проверить тиристор мультиметром:

1. Подцепить черный щуп с минусом к катоду.
2. Подцепить красный щуп с плюсом к аноду.
3. Один конец выключателя соединить с разъемом красного щупа.
4. Настроить мультиметр для измерения сопротивления, не превышающего 2 тысячи ОМ.
5. Быстро включить и отключить выключатель.
6. Если проход тока удерживается, значит с тиристором всё хорошо. Чтобы его отключить достаточно, отсоединить напряжение от одного из электродов (анод или катод).
7. В случае если удерживания проводимости нет, нужно поменять щупы местами и проделать всё с самого начала.
8. Если перекидывание щупов не помогло, то тиристор неисправен.

Чтобы проверить тиристор не выпаивая, нужно отсоединить УЭ от цепной схемы. Далее нужно проделать все пункты, которые описаны выше.

Роль постоянного источника тока здесь играют батареи мультиметра, в качестве индикатора – стрелки или цифровые показатели

Какие существуют разновидности тиристоров: краткие сведения

Развитие науки и электронных технологий в частности способствовало созданию большого количества полупроводниковых приборов с различной структурой слоев и переходов. (Смотрите картинку в начале статьи.)

Я относительно подробно показал выше структуру и принцип работы КУ202 и аналогичных тиристоров с тремя выводами. Однако это не полный обзор, а только частный случай, характерный для большинства подобных приборов.

Они отличаются по:

• количеству выводов и способу управления;
• проводимости;
• режимам работы;
• быстродействию;
• другим эксплуатационным параметрам.

Количество выводов

У основной четырехслойной структуры может быть создано 2, 3 или 4 контактных отвода для подключения к внешней схеме.

Что такое динистор

Корпуса с двумя выводами называют динисторами. Для открытия этих полупроводников между анодом и катодом импульсом подают повышенное напряжение.

По принципу работы динисторы бывают:

1. симметричные;
2. несимметричные.

Второй тип при обратном напряжении (плюс на катоде, а минус на аноде) всегда закрыт. Он ведет себя как диод и при аварийном токе сгорает. Симметричные же динисторы работают при любой полярности.

Как работает тринистор

Такое название закрепилось за триодными тиристорами (с третьим выводом управляющего электрода). Частный случай этих приборов мы уже разобрали, но на практике следует учитывать, что подобные изделия могут выпускаться с:

1. Катодным управлением, когда командный сигнал поступает по цепи управляющий электрод — катод.
2. Анодным — тот случай, что показан на примере КУ202.

При проверке работоспособности полупроводникового перехода следует учесть его конструкцию, а не бездумно копировать мою методику или любую другую, взятую из интернета.

Тринисторы могут выполняться с различными способами закрытия:

1. запираемые;
2. незапираемые.

Первым для перехода в закрытое состояние достаточно снизить ток по цепи «анод-катод». Вторым необходимо подать напряжение запирания на управляющий электрод.

Еще раз хочу подчеркнуть, что изложенная методика проверки на примере КУ202 применима для незапираемых тиристоров с управлением по аноду.

Виды проводимостей

В самом начале я сравнивал работу полупроводников с течением реки и заострил внимание на том, что через них ток проходит в одну сторону. Только это утверждение характерно для большинства, а не всех поголовно случаев. Однако учтите, что есть и иные конструкции, специально созданные:

Однако учтите, что есть и иные конструкции, специально созданные:

1. с не высоким обратным напряжением, которые называют обратно-проводящими;
2. без нормировки обратной проводимости. Их применяют в схемах, исключающих появление обратного напряжения;
3. для пропускания тока в обе стороны по цепи анод-катод. Это симметричные тиристоры, называемые симисторами либо триаком (от англ — «triac»).

При их проверке следует в обязательном порядке учитывать конструктивные особенности электронных переходов.

Тринисторы чаще всего создаются для работы в схеме электронного ключа. Они управляют мощной силовой нагрузкой за счет подачи слабого сигнала команды через управляющий электрод.

Быстродействие

Этим параметром оценивают скорость перехода полупроводниковых изделий из закрытого состояния в открытое и наоборот. Он может быть критичен при работе сложных схем защит или управления технологическими процессами.

Импульсный режим работы

Созданы и такие приборы, способные мгновенно реагировать на быстро возникающие электротехнические ситуации на сложном производстве. Но в домашнем оборудовании их не применяют.

Особенности лавинных тиристоров

Такие конструкции имеют лавинную вольт-амперную характеристику. При подаче обратного напряжения развивается лавинный процесс. Такая ВАХ:

• устойчива к высоким перенапряжениям схемы;
• способна работать без дополнительных защит;
• равномерно перераспределяет энергию по последовательно подключенным полупроводниковым переходам.

Их используют в схемах защит полупроводниковых разрядников и преобразователях.

Тиристоры имеют очень много разновидностей внутренней схемы, корпусов и принципов работы. Проверка их технического состояния должна учитывать все эти особенности.

Довольно оригинально эта информация изложена в видеоролике владельца Радиолюбитель.

Поскольку тема про тиристоры, принципы их работы и проверки весьма обширная, то жду ваших дополнений или комментариев, которые будут полезны и понятны всем домашним электрикам, включая новичков.

Другие варианты проверки

Также тиристор можно проверить с помощью тестера. Для этого понадобится тестер, батарейка шести – десяти вольт и проводки.

Чтобы проверить устройство тестером нужно следовать следующей схеме:

• Проверка тимистора с помощью омметраВключить тестер между катодом и анодом: должно показать «бесконечность», потому что тиристор в состоянии низкой проводимости.
• Подключить батарейку между УЭ и катодом. На тестере должно спасть сопротивление, так как появилась проводимость.
• Если подачи питания совсем нет, то устройство работает неправильно.
• Если подача питания постоянная, при любом напряжении на электроды, то и в этом случае с тиристором что-то не так.

Еще тиристор можно проверить с помощью омметра. Этот метод похож на проверку мультиметром и тестером. Потребуется:

• Подключить плюс омметра к аноду, а минус к катоду. На датчике омметра должно быть показано высокое сопротивление.
• Замкнуть вывод анода и УЭ, сопротивление на датчике омметра должно резко спасть.

Вот в принципе и вся инструкция для проверки. Если после этих действий отсоединить УЭ от анода, но не разрывать связь анода с омметром, датчик устройства должен показывать низкое сопротивление (это возникает, если ток анода, больше тока удержания).

Также существует еще один способ проверки тиристора с помощью омметров, для этого понадобится дополнительный омметр. Нужно плюсовой вывод одного омметра подключить к аноду, сопротивление в этот момент должно показываться высокое. Далее следует, также плюсовой вывод, но уже другого омметра, быстро подключить и отключить от управляющего электрода (УЭ), в этот момент сопротивление первого омметра резко уменьшится.

Пример расчёта простой схемы

Пусть, например, требуется включать и выключать светодиод с помощью
микроконтроллера. Тогда схема управления будет выглядеть следующим
образом.

Пусть напряжение питания равно 5 В.

Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) типичных светодиодов
диаметром 5 мм можно приблизительно оценить по таблице.

Пусть используется белый светодиод. В качестве транзисторного ключа
используем КТ315Г — он подходит по максимальному току (100 мА) и
напряжению (35 В). Будем считать, что его коэффициент передачи тока
равен (наименьшее значение).

Итак, если падение напряжения на диоде равно , а
напряжение насыщения транзистора то напряжение на
резисторе R2 будет равно . Для
рабочего тока светодиода получаем

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд
E12.

Для тока управляющий ток должен быть в раз меньше:

Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным .

Отсюда

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по
току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Характеристики устройства

Чтобы правильно проверить тиристор мультиметром, необходимо не только понимать принцип его работы, но и знать основные его характеристики. Наиболее значимым параметром элемента является его вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она наглядно показывает зависимость протекания тока через прибор от приложенного к его выводам напряжения. ВАХ динистора относится к S-образному виду. Эту характеристику разделяют на шесть зон:

1. Участок открытого состояния. На этом промежутке элемент практически не оказывает сопротивления проходящему через него току. Его проводимость максимальная. Эта зона заканчивается точкой, в которой ток перестаёт протекать.
2. Область отрицательного сопротивления. Провоцирует начало лавинного пробоя.
3. Пробой коллекторного перехода. На этом промежутке элемент работает в режиме лавинного пробоя, из-за чего происходит резкое уменьшение напряжения на его выводах.
4. Участок прямого включения. В этой области динистор закрыт, так как разность потенциалов, приложенная к его выводам, меньше, чем необходимая для возникновения пробоя.
5. Пятый и шестой участки описывают работу прибора в нижней половине ВАХ и соответствуют состояниям обратного включения и пробоя элемента.

Анализируя ВАХ, можно сделать вывод о том, что работа динистора похожа на диод, но, в отличие от последнего, для его открытия необходимо подать напряжение, превышающее диодное значение в несколько раз. При этом динистор характеризуется рядом параметров, определяющих его применение в электрических цепях. К основным его характеристикам относят следующие величины:

1. Разность потенциалов в открытом состоянии. Обычно указывается применительно к значению тока открытия. В качестве её единицы измерения используется вольт.
2. Наименьшее значение тока в открытом состоянии. Эта величина зависит от температуры прибора и при её увеличении снижается. Измеряется в миллиамперах.
3. Время переключения. Характеризуется периодом времени, в течение которого происходит переход режима работы прибора с одного устойчивого состояния в другое. Это значение составляет микросекунды.
4. Ток запертого состояния. Определяется значением обратного напряжения и редко превышает 500 мкА.
5. Ёмкость. Этот параметр характеризует обобщённую паразитную ёмкость, возникающую в элементе. Из-за неё ограничивается применение устройства в высокочастотных цепях и снижается скорость переключения режимов работы. Измеряется она в пикофарадах.
6. Ток удержания. Обозначает величину, при которой динистор открыт. Единица измерения — ампер.

Электрические принципиальные схемы регуляторов температуры паяльника

Внимание, ниже приведенные тиристорные схемы регуляторов температуры гальванически не развязаны с эклектической сетью и прикосновение к токоведущим элементам схемы опасно для жизни!

Для регулировки температуры жала паяльника применяют паяльные станции, в которых в ручном или автоматическом режиме поддерживается оптимальная температура жала паяльника. Доступность паяльной станции для домашнего мастера ограничена высокой ценой. Для себя я вопрос по регулированию температуры решил, разработав и изготовив регулятор с ручной плавной регулировкой температуры. Схему можно доработать для автоматического поддержания температуры, но я не вижу в этом смысла, да и практика показала, вполне достаточно ручной регулировки, так как напряжение в сети стабильно и температура в помещении тоже.

Классическая тиристорная схема регулятора

Классическая тиристорная схема регулятора температуры паяльника не соответствовала одному из главных моих требований, отсутствию излучающих помех в питающую сеть и эфир. А для радиолюбителя такие помехи делают невозможным полноценно заниматься любимым делом. Если схему дополнить фильтром, то конструкция получится громоздкой. Но для многих случаев использования такая схема тиристорного регулятора может с успехом применяться, например, для регулировки яркости свечения ламп накаливания и нагревательных приборов мощностью 20-60вт. Поэтому я и решил представить эту схему.

Для того, что понять как работает схема, остановлюсь подробнее на принципе работы тиристора. Тиристор, это полупроводниковый прибор, который либо открыт, либо закрыт. чтобы его открыть, нужно на управляющий электрод подать положительное напряжение 2-5 В в зависимости от типа тиристора, относительно катода (на схеме обозначен k). После того, как тиристор открылся (сопротивление межу анодом и катодом станет равно 0), закрыть его через управляющий электрод не возможно. Тиристор будет открыт до тех пор, пока напряжение межу его анодом и катодом (на схеме обозначены a и k) не станет близким к нулевому значению. Вот так все просто.

Работает схема классического регулятора следующим образом. Сетевое напряжение подается через нагрузку (лампочку накаливания или обмотку паяльника), на мостовую схему выпрямителя, выполненную на диодах VD1-VD4. Диодный мост преобразует переменное напряжение в постоянное, изменяющееся по синусоидальному закону (диаграмма 1). При нахождении среднего вывода резистора R1 в крайнем левом положении, его сопротивление равно 0 и когда напряжение в сети начинает увеличиваться, конденсатор С1 начинает заряжаться. Когда С1 зарядится до напряжения 2-5 В, через R2 ток пойдет на управляющий электрод VS1. Тиристор откроется, закоротит диодный мост и через нагрузку пойдет максимальный ток (верхняя диаграмма). При повороте ручки переменного резистора R1, его сопротивление увеличится, ток заряда конденсатора С1 уменьшится и надо будет больше времени, чтобы напряжение на нем достигло 2-5 В, по этому тиристор уже откроется не сразу, а спустя некоторое время. Чем больше будет величина R1, тем больше будет время заряда С1, тиристор будет открываться позднее и получаемая мощность нагрузкой будет пропорционально меньше. Таким образом, вращением ручки переменного резистора, осуществляется управление температурой нагрева паяльника или яркостью свечения лампочки накаливания.

Выше приведена классическая схема тиристорного регулятора выполненная на тиристоре КУ202Н. Так как для управления этим тиристором нужен больший ток (по паспорту 100 мА, реальный около 20 мА), то уменьшены номиналы резисторов R1 и R2, а R3 исключен, а величина электролитического конденсатора увеличена. При повторении схемы может возникнуть необходимость увеличения номинала конденсатора С1 до 20 мкФ..

Классическая тиристорная схема регулятора

Классическая тиристорная схема регулятора мощности паяльника не соответствовала одному из главных моих требований, отсутствию излучающих помех в питающую сеть и эфир. А для радиолюбителя такие помехи делают невозможным полноценно заниматься любимым делом. Если схему дополнить фильтром, то конструкция получится громоздкой. Но для многих случаев использования такая схема тиристорного регулятора может с успехом применяться, например, для регулировки яркости свечения ламп накаливания и нагревательных приборов мощностью 20-60вт. Поэтому я и решил представить эту схему.

Для того, что понять как работает схема, остановлюсь подробнее на принципе работы тиристора. Тиристор, это полупроводниковый прибор, который либо открыт, либо закрыт. чтобы его открыть, нужно на управляющий электрод подать положительное напряжение 2-5 В в зависимости от типа тиристора, относительно катода (на схеме обозначен k). После того, как тиристор открылся (сопротивление между анодом и катодом станет равно 0), закрыть его через управляющий электрод не возможно. Тиристор будет открыт до тех пор, пока напряжение между его анодом и катодом (на схеме обозначены a и k) не станет близким к нулевому значению. Вот так все просто.

Работает схема классического регулятора следующим образом. Сетевое напряжение переменного тока подается через нагрузку (лампочку накаливания или обмотку паяльника), на мостовую схему выпрямителя, выполненную на диодах VD1-VD4. Диодный мост преобразует переменное напряжение в постоянное, изменяющееся по синусоидальному закону (диаграмма 1). При нахождении среднего вывода резистора R1 в крайнем левом положении, его сопротивление равно 0 и когда напряжение в сети начинает увеличиваться, конденсатор С1 начинает заряжаться. Когда С1 зарядится до напряжения 2-5 В, через R2 ток пойдет на управляющий электрод VS1. Тиристор откроется, закоротит диодный мост и через нагрузку пойдет максимальный ток (верхняя диаграмма).

При повороте ручки переменного резистора R1, его сопротивление увеличится, ток заряда конденсатора С1 уменьшится и надо будет больше времени, чтобы напряжение на нем достигло 2-5 В, по этому тиристор уже откроется не сразу, а спустя некоторое время. Чем больше будет величина R1, тем больше будет время заряда С1, тиристор будет открываться позднее и получаемая мощность нагрузкой будет пропорционально меньше. Таким образом, вращением ручки переменного резистора, осуществляется управление температурой нагрева паяльника или яркостью свечения лампочки накаливания.

Выше приведена классическая схема тиристорного регулятора выполненная на тиристоре КУ202Н. Так как для управления этим тиристором нужен больший ток (по паспорту 100 мА, реальный около 20 мА), то уменьшены номиналы резисторов R1 и R2, а R3 исключен, а величина электролитического конденсатора увеличена. При повторении схемы может возникнуть необходимость увеличения номинала конденсатора С1 до 20 мкФ.

Тиристор в цепи постоянного напряжения

При условии питания схемы постоянным напряжением, тиристор эффективен в качестве переключателя мощной нагрузки. Здесь прибор действует подобно электронной защелке, поскольку после активации остается в состоянии «включено», вплоть до сброса этого состояния вручную. Рассмотрим практическую схему.

Схема 1: КН1, КН2 — кнопки нажимные без фиксации; Л1 — нагрузка в виде лампы накаливания 100 Вт; R1, R2 — резисторы постоянные 470 Ом и 1 кОм

Эта простая схема включения/выключения применяется для управления лампой накаливания. Между тем схему вполне допустимо использовать в качестве коммутатора электродвигателя, нагревателя и любой другой нагрузки, рассчитанной на питание постоянным напряжением.

Здесь тиристор имеет прямое смещённое состояние перехода и включается в режим короткого замыкания нормально разомкнутой кнопкой КН1. Эта кнопка соединяет управляющий электрод У с источником питания через резистор R1. Если значение R1 установить слишком высоким относительно питающего напряжения, устройство не сработает.

Стоит только активировать (нажать) кнопку КН1, тиристор переключается в состояние прямого проводника и остаётся в этом состоянии независимо от дальнейшего положения кнопки КН1. При этом токовая составляющая нагрузки показывает большее значение, чем ток фиксации тиристора.

Преимущества и недостатки использования тиристора

Одним из основных преимуществ использования этих полупроводников в качестве переключателя видится очень высокий коэффициент усиления по току. Тиристор — это устройство, фактически управляемое током.

Катодный резистор R2 обычно включается с целью уменьшения чувствительности электрода У и увеличения возможностей соотношения напряжение-ток, что предотвращает ложное срабатывание устройства.

Когда тиристор защелкнется и останется в состоянии «включено», сбросить это состояние возможно только прерыванием питания или уменьшения анодного тока до нижнего значения удержания. Поэтому логично использовать нормально замкнутую кнопку КН2, чтобы разомкнуть цепь, уменьшая до нуля ток, протекающий через тиристор, заставляя прибор перейти в состояние «выключено».

Однако схема имеет также недостаток. Механический нормально замкнутый переключатель КН2 должен быть достаточно мощным — соответствовать мощности всей схемы. В принципе, можно было бы просто заменить полупроводник мощным механическим выключателем. Один из способов преодолеть проблему с мощностью — подключить коммутатор параллельно тиристору.

Схема 2: КН1, КН2 — кнопки нажимные без фиксации; Л1 — лампа накаливания 100 Вт; R1, R2 — резисторы постоянные 470 Ом и 1 кОм

Доработка схемы — включение нормально разомкнутого переключателя малой мощности параллельно переходу А-К, даёт следующий эффект:

• активация КН2 создаёт «КЗ» между электродами А и К,
• уменьшается ток фиксации до минимального значения,
• устройство переходит в состояние «выключено».

Похожие записи:

Отличия между технологиями скрытой и открытой электропроводки Выбор переносного аккумулятора для телефона Какие лампочки использовать в противотуманных фарах? Как организовать резервное освещение для дома от аккумулятора своими руками: идеи для аварийного освещения Кабель для обогрева водопроводной трубы: способы монтажа и грамотное подключение Цифровые микросхемы