Понятие о тиристоре

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В данной работе рассмотрены несколько вариантов устройств, где используются элементы тиристоры в качестве регуляторов напряжения и в качестве выпрямителей. Приведены теоретическое и практическое описания принципа действия тиристоров и устройств, схемы этих устройств.

Управляемый выпрямитель на тиристорах -- элементах, обладающих большим коэффициентом усиления по мощности, позволяет получать большие токи в нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора.

В данной работе рассмотрены два варианта таких выпрямителей, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 В и от 0,5 до 15 В и устройство для регулировки напряжения на нагрузке активного и индуктивного характера, питаемой от сети переменного тока напряжением 127 и 220 В с пределами регулировки от 0 до номинального напряжения сети.

Глава 1. Понятие о тиристоре. Виды тиристоров. Принцип действия

1.1 Определение, виды тиристоров

тиристор прибор напряжение

Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод).

Простейшим тиристором является динистор - неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p-n-p-n (рис. 1.). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а средний p-n-переход - коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью - анодом.

В отличие от несимметричных тиристоров (динисторов, тринисторов) в симметричных тиристорах обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами (симисторы).

Рис. 1. Обозначения на схемах: а) симистора б) динистора в) тринистора.

Рис. 2. Структура динистора.

Рис. 3. Структура тринистора.

1.2 Принцип действия

При включении динистора по схеме, приведенной на рис. 1.2.1, коллекторный p-n-переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток (участок 1 на рис. 4).

Рис. 4. Схема включения в цепь неуправляемого тиристора (динистора).

Рис. 5. Вольтамперная характеристика динистора и тиристора.

Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения U_вкл. При напряжении U_вкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (участок 2 на рис. 5). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области - избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора.

После перехода коллекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующий прямой ветви диода (участок 4). После переключения напряжение на динисторе снижается до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении.

При уменьшении напряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода может составлять десятки микросекунд.

Напряжение U_вкл при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением не основных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу. Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом, питаемым от независимого источника управляющего напряжения (U_упр). Тиристор со вспомогательным управляющим электродом называется триодным, или тринисторным. На практике при использовании термина «тиристор» подразумевается именно элемент. Схема включения такого тиристора показана на рис. 5. Возможность снижения напряжения U при росте тока управления, показывает семейство ВАХ (рис. 1.2.4).

Если к тиристору приложить напряжение питания, противоположной полярности (рис. 5), то эмиттерные переходы окажутся закрытыми. В этом случае ВАХ тиристора напоминает обратную ветвь характеристики обычного диода. При очень больших обратных напряжениях наблюдается необратимый пробой тиристора.

1.3 Параметры тиристоров

1. Напряжение включения (U_вкл) - это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние.

2. Повторяющееся импульсное обратное напряжение (U_o6p.max ) - это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров U_вкл = U_o6p.max.

3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток.

4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (U_np = 0,5ч1В).

5. Обратный максимальный ток - это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности.

6. Ток удержания - это анодный ток, при котором тиристор закрывается.

7. Время отключения - это время, в течение которого закрывается тиристор.

8. Предельная скорость нарастания анодного тока . Если анодный ток будет быстро нарастать, то p-n переходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будет происходить местный перегрев и тепловой пробой.

9. Предельная скорость нарастания анодного напряжения . Если предельная скорость нарастания анодного напряжения будет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно открыться от электромагнитной помехи.

10. Управляющий ток отпирания - это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».

11. Управляющее напряжение отпирания - это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».

Глава 2. Применение тиристоров в регуляторах мощности

2.1 Общие сведения о различных регуляторах

Тиристоры имеют широкий диапазон применений (регуляторы мощности, управляемые выпрямители, генераторы импульсов и др.), выпускаются с рабочими токами от долей ампера до тысяч ампер и с напряжениями включения от единиц до тысяч вольт.

Регулировка выходного напряжения выпрямителя может осуществляться разными способами. Регулируемый трансформатор или автотрансформатор, включенный в схему выпрямителя, дает возможность изменять амплитуду переменного напряжения, подводимого к вентилям, и тем самым устанавливать желаемое выпрямленное напряжение.

Однако такие трансформаторы громоздки и имеют малую надежность из-за переключаемых или скользящих контактов.

Регулировка постоянного напряжения на нагрузке, достигаемая делителем напряжения или реостатом, включенным между выходом выпрямителя и нагрузкой, связана с большими потерями мощности.

2.2 Процесс управления напряжением при помощи тиристора

Свободным от недостатков методов, перечисленных в 2.2, является метод, основанный на управлении вентилями выпрямителя. В качестве управляемых вентилей в настоящее время широко применяют тиристоры.

Моментом включения тиристора можно управлять подавая управляющий импульс тока на n-р-переход, прилегающий к катоду.

При прохождении тока нагрузки через открытый тиристор все три его n-р-перехода смещены в прямом направлении, и управляющий электрод перестает влиять на процессы, происходящие в тиристоре. При спадании прямого тока тиристора до нуля после рассасывания заряда неосновных носителей в базовых областях тиристор запирается, и управляющие свойства восстанавливаются.

Рис. 6. Схема включения тиристора.

Рис. 7. Вольтамперная характеристика тиристора.

В схеме, содержащей источник питания Е, тиристор VS и резистор нагрузки R (рис. 7), возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, а второе - закрытому тиристору. Наложение характеристики цепи резистор-источник на характеристики тиристора (рис. 7) позволяет получить прямые токи отключенного (точка А) и включенного (точка В) тиристора. Повышение напряжения источника от 0 до E при Iу=0 вызывает перемещение рабочей точки по нижней ветви характеристики до точки А. Если подать управляющий импульс тока амплитудой и длительностью, достаточной для поддержания этого тока на время открывания тиристора, то рабочая точка перейдет в точку, соответствующую открытому состоянию тиристора.

Рис. 8. Наложение характеристики цепи резистор-источник на характеристики тиристора.

Спад открывающего импульса тока в цепи управления не влияет на процессы в открытом тиристоре, его рабочая точка остается в положении В. Восстановление управляющих свойств тиристора произойдет лишь при его обесточивании на время, большее времени его закрывания.

В открытом состоянии тиристор пропускает очень большие токи (до нескольких сотен ампер) и оказывает им малое сопротивление. В этом его преимущество. Применяя тиристоры, следует иметь в виду, что скачкообразное изменение сопротивления в момент открывания может привести к очень большим броскам тока. Особенно велики эти броски в тех схемах, где нагрузка R шунтируется конденсатором.

Зарядка конденсатора через открывшийся тиристор может вывести последний из строя. Поэтому для уменьшения бросков тока последовательно с тиристором включают дроссель.

Заключение

Применение тиристоров в таких устройствах, как регуляторы мощности и управляемые выпрямители, позволяет получать большие токи в нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора. А также делают эти устройства более надежными, компактными и экономичными в использовании. Снижается и себестоимость регулятора мощности, в результате отсутствия трансформатора с медной обмоткой.

Тиристоры широко применяются в устройствах автоматики и электроники в качестве мощных электронных ключей. Они могут выполнять функции:

высоковольтных электронных ключей;

управляемых выпрямителей;

усилителей импульсов;

регуляторов мощности в цепях переменного тока;

регуляторов скорости вращения электродвигателей;

инверторов (преобразователей постоянного тока в переменный) и др.

Важным достоинством тиристорных устройств является очень высокий КПД (более 90%), т.к. тиристор обладает малыми потерями. Падение напряжения на нем не превышает 1,5 В при любом прямом токе. Мощные силовые тиристоры выпускаются на токи до 2000 А и напряжение до 3000 В.

Литература

1. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. "Микроэлектроника", - М., "Высшая школа", 1987 г.

2. Алексеенко А.Г., Шагурин В.Я. "Микросхемотехника", - М., "Радио и связь", М., "Радио и связь", 1982 г.

3. Коледов Л.А. "Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок", М., "Радио и связь", 1989 г.

4. Бакалов В.П. и д.р. Основы теории электрических цепей и электротехники: Учебник для вузов / В.П. Бакалов, А.Н. Игнатов, Б.И. Крук. - М.; Радио и связь, 1989. - 528с.

5. Сизых Г.Н. Электропитающие устройства связи: Учебник для техникумов - М.: Радио и связь, 1982.- 288с., ил.

6. А. Старцев - Регулятор на тиристоре. Ж. Радио 7/68г.

7. И. Серяков, Ю. Ручкин - Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах. Ж. Радио, 2/71г.

8. А.А. Каяцкас. Основы радиоэлектроники. - М.: Высшая школа, 1988. - 463с.

Размещено на Allbest.ru