Тиристор

Тиристор – полупроводниковый прибор, обладающий ключевыми свойствами при односторонней проводимости. Т.е. прибор, позволяющий пропускать ток в одном направлении с возможностью управления его средним и действующим значением за счет управления фазой включения тиристора.

Конструктивно тиристор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру, рис.22.

Рис.22. Технологическая структура и условное обозначение тиристора; А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод.

Тиристор содержит три p-n перехода. Вследствие этого, когда управляющий электрод не задействован, независимо от полярности приложенного к аноду и катоду напряжения ток через тиристор не протекает: если на аноде положительный потенциал, а на катоде отрицательный, то к 1-му и 3-му p-n переходам приложено прямое смещение, а ко 2-у –обратное; если на аноде отрицательный потенциал, а на катоде положительный, то в обратном направлении смещены 1-й и 3-й p-n переходы, а в прямом – 2-й. И в том и другом случае есть p-n переходы, включенные в обратном направлении. Это утверждение справедливо до напряжений смещения, меньших напряжения пробоя. Для идеального тиристора вольт-амперная характеристика без задействованного управляющего электрода имеет вид, представленный на рис.23.

Рис.23. Вольт-амперная характеристика идеального тиристора при незадействованном управляющем электроде; величина обратного тока меньше 0.01 мкА.

В реальном тиристоре пробивное напряжение p-n переходов не бесконечно. Поэтому его вольт-амперная характеристика имеет иной вид, показанный на рис.24.

Рис.24. Схема включения тиристора в режиме обратного смещения 2-го p-n перехода и ВАХ при достижении напряжения его пробоя.

На рис.25 показана эквивалентная схема тиристора в виде резистивного делителя напряжения, сопротивления которого зависят от тока через них.. Она позволяет легче понять принцип работы тиристора.

При напряжениях меньше пробойного из-за большого сопротивления 2-го p-n перехода, находящегося под обратным смещением, практически все напряжение источника Е падает на нем. Следовательно, на 1-м и 3-м p-n переходах, падает незначительное прямое напряжение, соответствующее обратному току 2-го p-n перехода. При реальных обратных токах прямое падение напряжений на 1-м и 3-м p-n переходах около 20-30 мВ. Ток через тиристор равен обратному току 2-го перехода, участок I, рис.24.

Рис.25. Эквивалентная схема с тиристором: R1, R2, R3 – сопротивления 1-го, 2-го и 3-го p-n переходов

В момент начала пробоя сопротивление R2 уменьшается вследствие увеличения обратного тока. В результате напряжение на тиристоре перераспределяется между R1, R2, R3: обратное напряжение на 2-м p-n переходе уменьшается, а на 1-м и 3-м – увеличивается прямое падение напряжения. Увеличение прямого падения напряжения на 3-м p-n переходе приводит к экспоненциальному увеличению его прямого тока. Как уже говорилось, этот ток создается диффузией носителей заряда, преодолевших потенциальный барьер. Диффундируя, носители заряда проходят слой между 1-м и 2-м p-n переходами и достигают 2-й p-n переход. Электрическое поле 2-го p-n перехода направлено таким образом, что, достигшие его диффундировавшие носители заряда переносятся этим полем в соседнюю область и тем самым увеличивают обратный ток 2-го p-n перехода. В результате его сопротивление становится еще меньше, напряжение Е снова перераспределяется, увеличивая прямое падение напряжения на 1-м и 3-м переходах. Возникает положительная обратная связь, приводящая к резкому уменьшению сопротивления 2-го перехода и увеличению тока, участок II, рис.3. Процесс завершится, когда 1-й и 3-й переходы полностью откроются и установится равновесное состояние. Очевидно, что при этом через тиристор будет протекать ток, равный прямому току через 1-й и 3-й переходы при соответствующих значениях напряжений на них U₁ и U₃, участок III, рис.24.

Чтобы ток через тиристор прекратился, нужно разорвать цепь питания или изменить полярность E.

Управляющий электрод позволяет управлять моментом включения тиристора даже при положительной разности потенциалов между анодом и катодом меньше пробойной, если через 1-й p-n переход создать прямой ток. Момент включения, или фаза включения, называется углом управления a. В этом случае, носители заряда, образующие прямой ток 1-го перехода, будут диффундировать в сторону 2-го перехода, переноситься его полем в соседнюю область, увеличивая обратный ток этого перехода. В результате сложится ситуация, описанная выше.

Как видно из рис.24 ВАХ тиристора на II-м участке имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. ВАХ такого вида называется S-образной.

Построение нагрузочной характеристики такое же, как и для выпрямительного диода, рис.26.

Как показано выше тиристор при включении работает в области прямой ветви вольт-амперной характеристики. При обратном напряжении на аноде и катоде тиристор не пропускает ток. Таким образом, он обладает выпрямительными свойствами с возможностью управления моментом открывания тиристора. На рис.27 показана однополупериодная схемы выпрямления синусоидального тока с использованием тиристора.

Рис.27. Схема управляемого однополупериодного выпрямителя с использование тиристора и диаграммы переменной ЭДС e(t), управляющего тока i_УЭ, выпрямленного тока i_R; a - угол управления.

Управляющий ток в положительный полупериод e(t) открывает 1-й p-n переход и включает тиристор. В отрицательный полупериод открывание 1-го p-n перехода не приводит к открыванию 3-го p-n перехода, потому что диффундирующие носители не доходят до него, так как они успевают практически полностью рекомбинировать.

Среднее и действующее значение выпрямленного тока (напряжения) могут регулироваться в широких пределах за счет изменения фазы подачи управляющего тока:

Представленная схема имеет в своем составе схему управления, которая в значительной степени усложняющее ее, так как требуется достаточно точная синхронизация по частоте управляющего тока с частотой выпрямляемого напряжения.

Более простое регулирование осуществляется в схеме однополупериодного выпрямителя, представленной на рис.28. Однако угол управления в ней может изменяться только в пределах 0-90⁰.

Регулирование угла управления a осуществляется фазорегулирующей цепочкой R₂C. Диод VD обеспечивает подачу на управляющий электрод импульсов положительной полярности.

Рис.28. Однополупериодный выпрямитель с регулированием выпрямленного тока с помощью фазосдвигающей RC цепочки и диаграммы выпрямляемой ЭДС e(t), управляющего тока i_УЭ, выпрямленного тока i_R.

Как следует из свойств тиристора, он может применяться в качестве управляемого выпрямителя тока в схемах, описанных ранее, в которых применяются выпрямительные диоды.

Тиристор имеет универсальное применение: с помощью него можно выпрямлять ток (напряжение) и инвертировать постоянное напряжение в переменное. Такие устройства называются инверторами.

Инверторы классифицируются по ряду признаков, основные из которых:

- по типу коммутирующих приборов: тиристорный или транзисторный;

- по принципу коммутации: ведомые сетью и автономные коммутаторы;

- по роду преобразуемой величины: инверторы тока и инверторы напряжения.

Тиристорные инверторы, в отличие от транзисторных обладают большой мощностью, преобразуя напряжения до нескольких киловольт и токи до сотен ампер.

На рис.29 показана схема инвертора, который при определенных условиях работает как выпрямитель переменного тока, а в других условиях как преобразователь постоянного напряжения в переменное

Между средней точкой и узлом с включен источник постоянной ЭДС Е. Инвертор работает как выпрямитель при a<90⁰. При a=90⁰ среднее значение выпрямленного напряжения равно нулю, рис.29.

Для передачи электроэнергии, вырабатываемой источником Е, в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток первичной обмотки и ее напряжение находились в противофазе, т.е. a=180⁰.

Рис.29. Схема однофазного двухполупериодного ведомого сетью инвертора в режиме выпрямления и временные диаграммы напряжения при фиксированных углах управления

Такое возможно, если тиристор VS2 будет открыт при отрицательной полярности u_2b, а тиристор VS1 – при отрицательной полярности u_2a. При этом происходит поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е.

Реально выдержать угол управления 180⁰ невозможно из-за инерционности процессов запирания и отпирания тиристоров. По этой причине угол управления делают несколько меньше 180⁰ на угол b, называемый углом опережения отпирания.

Запирание и отпирание тиристоров происходит под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора, создаваемого сетью переменного тока. Поэтому такой инвертор называют инвертором, ведомым сетью.

Инвертор, ведомый сетью используют на электрическом транспорте, где применяется постоянное напряжение.

Автономные инверторы осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку.

Автономные инверторы применяют в случаях, когда требуется:

- иметь переменный ток требуемой частоты при питании от постоянного напряжения аккумуляторов, фотоэлектрических батарей и пр.

- преобразовывать постоянное напряжение одного значения в постоянное напряжение другого значения;

- получать переменный ток высокой частоты для электроплавильных установок.

Дата добавления: 2015-05-06