1.7. Тиристоры и их применение в устройствах информационно-измерительной техники и электроснабжения

Тиристор – это полупроводниковый прибор структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n перехода и два и более выводов, предназначенный для переключения.

Как видно из структуры (рис.72), тиристор представляет собой последовательные соединения двух транзисторов (p-n-p и n-p-n) или встречное соединение трёх диодов. При этом внешние p и n– области образуют анодный и катодный выводы соответственно, а вывод от внутренней p– области называется управляющим электродом (УЭ).

Рис. 72. Структура тиристора (а) и его графический символ (б)

Тиристоры бывают триодные и диодные; первые имеют три вывода (электрода), вторые – два (анод и катод). Триодные тиристоры называют также тринисторами, а диодные – динисторами.

Рис. 73. Вольтамперные характеристики диодного (а) и триодного (б) тиристора

Вследствие встречного соединения p-n переходов через тиристор при любой полярности напряжения проходит незначительный обратный ток. На вольтамперной характеристике (рис. 73) динистора это участок в окрестности точки «0». Эта окрестность характеризуется небольшими токами через прибор и большим падением напряжения. Далее, при повышении напряжения с полярностью, указанному на рис. до величины динистор (тиристор) переходит во включенное состояние (участок ). Напряжение и ток, соответствующие точке , называются соответственно напряжением и током включения ( и ). Участок соответствует неустойчивому, нерабочему состоянию прибора, динамическое сопротивление которого становится отрицательным. Участок характеризуется большим током, проходящим через прибор, и небольшим падением напряжения на нём. Участки и характеризуют два устойчивых состояния прибора, что позволяет использовать его в качестве переключателя в различных схемах автоматики и вычислительной техники.

Значительно расширяется область использования тиристоров, снабжённых управляющим электродов, – тринисторов. Меняя напряжение, подаваемое на управляющий электрод, а значит, и ток управления, можно изменять напряжение включения тринистора. Вольтамперные характеристики тринистора, представленные на рис. 73,б, показывают, что с ростом тока управления уменьшается напряжение включения тиристора.

Такие свойства тиристоров позволяют их широко использовать в управляемых выпрямителях с целью обеспечить плавное регулирование выпрямленного напряжения. Простейшая схема однополупериодного управляемого выпрямителя на тиристоре и диаграммы, поясняющего принцип регулирования, приведены на рис. 74.

Принципы действия выпрямителя заключается в следующем. Тиристор открывается и пропускает ток при одновременном наличии положительного потенциала (плюса) на его аноде и управляющем электроде (затворе).

Рис. 74. Схема однополупериодного управляемого выпрямителя (а) и график его работы (б)

Следовательно, если к аноду и затвору тиристора одновременно подводится синусоидальное напряжение в течение всего времени положительной полуволны синусоидального напряжения (однополупериодное выпрямление), то тиристор будет открыт и через его нагрузку протекает ток. В этом случае фазовый сдвиг между напряжением на аноде и затворе тиристора равен нулю. Среднее значение тока, протекающего через нагрузку (I_o), максимально.

Однако, если тиристор включить с задержкой, т. е. сдвинуть по фазе напряжение включения (на затворе) относительно входного напряжения (на аноде), то время одновременного наличия «плюса» на аноде и затворе сокращается, т. е. в нагрузку пройдёт только часть положительной полуволны синусоидального напряжения, что соответствует уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения или тока в нагрузке.

Таким образом, изменяя фазовый сдвиг (угол α, рис.74,a) между напряжением включения, тиристора и входным, можно менять среднее значение тока (напряжения) в нагрузке.

Угол сдвига фаз α между напряжением включения и входным напряжением называется углом управления тиристора.

Регулировка фазового сдвига, т.е. управление величиной достигается с помощью фазосдвигающей цепи R₁, R₂, С (рис. 74,а).

Схема рис. 1,а иллюстрирует принцип управления, однако, непосредственно на практике используется редко, так как из-за плавности нарастания управляющего напряжения момент включения тиристора фиксируется нечётко, что приводит к ухудшению качества регулирования .

В современных системах управления для чёткого изменения угла α применяются специальные устройства синхронизации управляющего напряжения с напряжением сети, а также фазосдвигающие устройства и формирователи-усилители требуемой амплитуды и формы управляющего импульса.

Рассмотренный принцип действия простейшего управляемого выпрямителя на тиристорах используется и при построении более сложных схем (двухполупериодных, мостовых, трехфазных).

Эти схемы отличаются от обычных (неуправляемых) выпрямительных. схем, главным образом, применением специальных устройств управления работой тиристоров.

Как правило, для управления тиристором предпочитают подавать на управляющий электрод короткие импульсы , открывая тиристор в нужный момент.

Отклонение тиристора вызывает определенные трудности, если только для питания не используется переменный ток. Так называемые незапираемые тиристоры после включения очень трудно выключить с помощью электрода УЭ. Их выключение возможно лишь отключением анодного напряжения, либо замыканием катода с анодом или переходом через ноль питающего синусоидального напряжения. Обычно применяют вспомогательные схемы, формирующие короткий отрицательный импульс, который подается через конденсатор на анод тиристора, при этом тиристор успевает отключиться за доли миллисекунды [12].

Существенно упрощаются системы преобразования тока за счет применения запираемых тиристоров, так как при этом не требуется специальные схемы коммутации для включения тиристоров [19]. Конструктивно запираемые тиристоры отличаются от обычных большей площадью управляющего электрода, благодаря чему их можно включать, так и выключать увеличением или уменьшением тока этого электрода. Существуют тиристоры, запираемые по аноду и катоду. Запираемые тиристоры выпускаются для работы при токах запирания по управляющему электроду от 50мА (например, 2У102А…Г) до 200А (например, Т3123-200-6…12).

Существует ряд других разновидностей тиристоров, например, тетродный тиристор с катодным и анодным управляющими электродами, причем анодный служит как для включения, так и выключения (подают «плюс» или «минус»).

Для работы в цепях переменного тока с управлением в обоих полупериодах выпускается пятислойные тиристоры – симисторы, обладающие симметричной ВАХ. Их можно рассматривать как комбинацию двух встречно-параллельных включенных обычных тиристоров с управляющим электродом (например, КУ208). Такие как «плюсом», так и «минусом» на управляющем электроде.

Благодаря высокой нагрузочной способности (токи от единиц сотен ампер при напряжении в десятки – тысячи вольт) и хорошему быстродействию, тиристоры широко применяются в силовых схемах управления исполнительными электромеханизмами или двигателями в автоматических устройствах. В интегральной технике применяются управляемые светом фототиристоры в комбинации со светодиодами в так называемых оптронах, служащих для гальванического разделения импульсных цепей связи и управления [12].

Условные графические обозначения основных видов тиристоров приведены на рис. 75.

Рис. 75. Условные графические и позиционные обозначения тиристоров: а – диодный тиристор (динистор); б и в – незапираемые тиристоры с выводом от p- и n- областей; г и д – запираемые тиристоры с выводом от p- и n- областей; е – и n- областей; г и д - запираемые тиристоры с выводом от p- и n- областей; е – симметричный тиристор (симистор); ж – тетродный тиристор