Тиристор
Обычно тиристор представляет собой четырехслойное трехконтактное устройство . Четыре слоя формируются чередующимися полупроводниками n-типа и полупроводниковыми материалами p-типа . Следовательно, в устройстве образованы три pn-перехода . Это бистабильное устройство. Три вывода этого устройства называются анодом (А), катодом (К) и затвором (G) соответственно.Затвор (G) является управляющим выводом устройства. Это означает, что ток , протекающий через устройство, управляется электрическим сигналом, подаваемым на затвор (G). Анод (А) и катод (К) являются силовыми клеммами устройства, которые управляют большим приложенным напряжением и проводят основной ток через тиристор.Например, когда устройство соединено последовательно с цепью нагрузки, ток нагрузки будет протекать через устройство от анода (А) до катода (К), но этот ток нагрузки будет управляться сигналом затвора (G), подаваемым на устройство внешне. Тиристор - это переключатель включения-выключения, который используется для управления выходной мощностью электрической цепи , периодически включая и выключая цепь нагрузки в заданный интервал.Основное отличие тиристоров от других цифровых и электронных переключателей заключается в том, что тиристор может обрабатывать большой ток и выдерживать большие напряжения, тогда как другие цифровые и электронные переключатели обрабатывают только крошечные ток и напряжение. Когда положительный потенциал приложен к аноду по отношению к катоду, в идеале, никакой ток не будет протекать через устройство, и это состояние называется форвард-блокирующим, но когда применяется соответствующий сигнал затвора, начинается большой ток прямого тока анода с небольшим анодом - падение катодного потенциала и устройство переходит в состояние прямой проводимости. Хотя после снятия сигнала затвора устройство будет оставаться в режиме прямой передачи до тех пор, пока полярность нагрузки не изменится. Некоторые тиристоры также управляемы в переходе от прямого преобразования обратно в состояние блокировки вперед.
Применение тиристоров
Как мы уже говорили, тиристор предназначен для обработки больших токов и напряжений , он используется в основном в электрической цепи с системным напряжением более 1 кВ или токами более 100 А. Основное преимущество использования тиристоров в качестве устройства управления мощностью заключается в том, что Так как мощность контролируется периодической операцией включения-выключения, поэтому (в идеале) нет внутренних потерь мощности в устройстве для управления мощностью в выходной цепи. Тиристоры обычно используются в некоторых цепях переменного тока для управления чередующейся выходной мощностью схемы для оптимизации внутренних потерь мощности за счет скорости переключения.В этом случае тиристоры преобразуются из прямого блокирования в прямопроводящее состояние при некотором заданном фазовом угле входного синусоидального сигнала напряжения анод-катод. Тиристоры также очень широко используются в инверторе для преобразования прямой мощности в переменную мощность заданной частоты. Они также используются в преобразователе для преобразования переменного тока в переменную мощность различной амплитуды и частоты. Это наиболее распространенное применение тиристора .
Типы тиристоров
Существует четыре основных типа тиристоров :
1.Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR);
2.Тиристор выключения затвора (GTO) и коммутируемый тиристор с интегрированным затвором (IGCT);
3.MOS-контролируемый тиристор (MCT)
4.Статический индукционный тиристор (SITh).
Основные принципы работы тиристоров
Хотя существуют тиристоры разных типов, но основные принципы работы всех тиристоров более или менее одинаковы . На рисунке ниже представлен концептуальный вид типичного тиристора. Существует три p-n перехода J 1 , J 2 и J 3 . Кроме того, на рисунке показаны три анода (A), катода (K) и затвора (G). Когда анод (А) находится в более высоком потенциале относительно катода, соединения J1 и J3 смещены вперед, а J2 обратное смещение, и тиристор находится в режиме прямой блокировки. Тиристор можно рассматривать как соединенный с помощью спины два биполярных транзистора. Структура pnpn тиристора может быть представлена pnp- и npn-транзисторами, как показано на рисунке.Здесь в этом устройстве коллекторный ток одного транзистора используется в качестве базового тока другого транзистора. Когда устройство находится в режиме блокировки в прямом направлении, если ток через отверстие затвора (G) вводится через отверстие, устройство включается. Когда потенциал применяется в обратном направлении, тиристор ведет себя как обратный смещенный диод . Это означает, что он блокирует ток в направлении благоговения. Принимая во внимание, что I CO является током утечки каждого транзистора в состоянии отсечки, анодный ток может быть выражен в терминах тока затвора.
"Внутренности тиристора"
Где α - коэффициент усиления тока для общей базы транзистора (α = I C/ I E ). Анодный ток становится сколь угодно большим, когда (α 1 + α 2 ) приближается к единице. По мере увеличения напряжения анодного катода область истощения расширяется и уменьшает нейтральную базовую ширину n 1 и p 2 областей. Это вызывает соответствующее увеличение α двух транзисторов. Если к тиристору подан положительный ток затвора достаточной величины, значительное количество электронов будет впрыскиваться через смещенный вперед переход J 3 в базу транзистора n 1 p 2 n 2 . Результирующий ток коллектора обеспечивает базовый ток на p 1 n 1 p 2 транзисторе. Комбинация положительной обратной связи npn и pnp BJT и зависящих от тока базовых транспортных факторов в конечном счете включает тиристор посредством регенеративного воздействия. Из известных силовых полупроводниковых устройств тиристор показывает самое низкое падение прямого напряжения при больших плотностях тока. Большой ток между анодом и катодом поддерживает оба транзистора в области насыщения, и управление затвором теряется после того, как тиристор защелкнется.
Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)
Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) представляет собой однонаправленное полупроводниковое устройство, выполненное из кремния, которое может использоваться для обеспечения выбранной мощности для нагрузки путем включения его в течение переменного количества времени. Эти устройства являются твердотельными эквивалентами тиратронов и поэтому называются тиристорами или тиристотными транзисторами. Фактически , SCR является торговым названием General Electric (GE) для тиристора . В основном SCR представляет собой трехконечный четырехслойный (следовательно, из трех соединений J1, J2 и J3) полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся слоев легирования материалов p- и n-типа. На рисунке 1a показан SCR со слоями pnpn, которые имеют терминалы Anode (A), Cathode (K) и Gate (G). Далее следует отметить, что терминалом Gate обычно будет p-слой ближе к катодному терминалу. Символ SCR, используемый в случае принципиальных схем, показан на рисунке 1b.
Эти SCR можно считать эквивалентными двум взаимосвязанным транзисторам, как показано на рисунке 2.
Здесь видно, что одиночный SCR равен комбинации транзисторов pnp (Q 1 ) и npn (Q 2 ), где эмиттер Q 1 будет действовать как анодный вывод SCR, в то время как эмиттер Q 2 будет его катод. Кроме того, база Q 1подключена к коллектору Q 2, а коллектор Q 1 закорачивается с основанием Q 2, чтобы привести к выводу затвора SCR.
Работу SCR можно понять, проанализировав ее поведение в следующих режимах:
1. Режим обратного блокирования : в этом режиме SCR смещается в обратном направлении, подключая его анодный контакт к отрицательному концу батареи и обеспечивая его катодный вывод положительным напряжением (рисунок 3a). Это приводит к обратному смещению переходов J1 и J3, который в свою очередь запрещает поток тока через устройство, несмотря на то, что соединение J2 будет смещено вперед. Кроме того, в этом состоянии поведение SCR будет идентичным поведению типичного диода, поскольку оно проявляет как поток обратного тока насыщения (зеленая кривая на рисунке 4), так и явление обратного пробоя (черная кривая на фиг.4 ).
Режим прямой пересылки : здесь положительное смещение применяется к SCR, подключая его анод к положительному полюсу батареи и замыканием катода SCR на отрицательную клемму аккумулятора, как показано на рисунке 3b. При этом условии соединения J1 и J3 смещаются вперед, в то время как J2 будет обратным смещением, что позволяет пропускать через устройство только небольшое количество тока, как показано синей кривой на рисунке
2. Режим прямой проводки: SCR можно выполнить для: i) путем увеличения положительного напряжения, приложенного между анодом и катодом через клеммы, превышающие напряжение пробоя, V B, или (ii) подавая положительное напряжение на его затворную клемму, как показано Рисунок 3c. В первом случае увеличение приложенного смещения заставляет первоначально обратное смещенное соединение J2 разрушаться в точке, соответствующей напряжению пробивания вперед, V B. Это приводит к внезапному увеличению тока, протекающего через SCR, как показано розовой кривой на фиг.4, хотя клемма затвора SCR остается беспристрастной.
Это делает их идеальными для многих приложений, таких как
1. Цепи переключения питания (для переменного и постоянного тока)
2.Цепи нулевого напряжения
3. Цепи защиты от перенапряжения
4. Управляемые выпрямители
5. Инверторы
6. AC Power Control (включая источники света, двигатели и т. Д.)
7. Импульсные схемы
8. Регулятор зарядки аккумулятора
9. Защелкивающиеся реле
10.Компьютерные логические схемы
11. Удаленные коммутаторы
12. Фазовые угловые триггерные контроллеры
13. Схемы синхронизации
14. Схемы запуска ИС
15.Контроль сварочного аппарата
16. Системы контроля температуры
