Для замыкания и размыкания силовых цепей в электротехнике применяются различные реле и контакторы электромеханической системы. Эти устройства имеют определенные недостатки, связанные с наличием механической контактной системы – склонность к износу, подгоранию и т.п. Во многих случаях предпочтительнее использовать бесконтактные силовые ключи.
В качестве таких ключей применяют полупроводниковые элементы силовой электроники – тиристоры. Эти полупроводниковые приборы могут иметь одно из двух состояний:
- открытое (проводят ток в силовой цепи анод-катод в одном или двух направлениях);
- закрытое (не проводят ток ни в одном из направлений).
Тиристоры не содержат механических подвижных контактов, коммутация осуществляется изменением проводимости p-n переходов, причем в разных типах тиристоров это делается несколько по-разному.
Выглядят эти полупроводниковые приборы тоже по-разному. Так, тринисторы, в зависимости от мощности, могут выглядеть подобно маломощному транзистору (КУ105, КУ110) или диоду средней мощности (КУ202). Более мощные разновидности могут иметь самые разнообразные корпуса с количеством выводов как 3, так и 2 (в последнем случае одним из выводов – катодом или анодом – служит корпус прибора).
То же самое относится и к симисторам, и к динисторам. В зависимости от мощности коммутируемой нагрузки они могут выглядеть по-разному – от миниатюрных SMD до мощных приборов, предназначенных для установки на радиатор.
Какие бывают виды
В силовой электронике применяются основные типы тиристоров:
- динисторы (диодные тиристоры);
- тринисторы (управляемые триоды);
- симисторы (симметричные тиристоры), их также называют триаки (triac).
Каждый тип коммутационного устройства имеет свою сферу применения. На самом деле, существует большее количество разновидностей тиристоров. Так, тринисторы делятся на управляемые по катоду и менее распространенные с управлением по аноду. Еще эти приборы делятся на запираемые и незапираемые. Разновидностью тринистора является тетродный тиристор с двумя управляющими электродами. Динисторы бывают симметричные (проводящие в обе стороны) и несимметричные (проводящие в одном направлении).
Для понимания работы и условий применения достаточно разобраться с принципами функционирования этих трех основных категорий силовых полупроводниковых ключей.
САМОЕ ПОНЯТНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ Как работает ТИРИСТОР и как он обозначается в схеме.
Условное обозначение диодов, варикапов, светодиодов на схемах
Диоды — простейшие полупроводниковые приборы, основой которых является электронно-дырочный переход (p-n-переход). Как известно, основное свойство p-n-перехода — односторонняя проводимость: от области p (анод) к области n (катод). Это наглядно передает и условное графическое обозначение полупроводникового диода : треугольник (символ анода) вместе с пересекающей его линией электрической связи образуют подобие стрелки, указывающей направление проводимости. Перпендикулярная этой стрелке черточка символизирует катод (рис. 1).
Рис.1. Условное обозначение диодов
Буквенный код диодов — VD. Этим кодом обозначают не только отдельные диоды, но и целые группы, например, выпрямительные столбы (см. рис. 1, VD4). Исключение составляет однофазный выпрямительный мост, изображаемый в виде квадрата с соответствующим числом выводов и символом диода внутри (рис. 2, VD1). Полярность выпрямленного моста напряжения на схемах не указывают, так как ее однозначно определяет символ диода. Однофазные мосты, конструктивно объединенные в одном корпусе, изображают отдельно, показывая принадлежность к одному изделию в позиционном обозначении (см. рис. 2, VD2.1, VD2.2). Рядом с позиционным обозначением диода можно указывать и его тип.
Рис.2. Условное обозначение диодных мостов
На основе базового символа построены и условные графические обозначения полупроводниковых диодов с особыми свойствами. Чтобы показать на схеме стабилитрон, катод дополняют коротким штрихом, направленным в сторону символа анода (рис. 3, VD1). Следует отметить, что расположение штриха относительно символа анода должно быть неизменным независимо от положения обозначения стабилитрона на схеме (VD2—VD4). Это относится и к символу двуханодного (двустороннего) стабилитрона (VD5).
Рис.3. Условное обозначение стабилитронов, варикапов, диодов Шотки
Аналогично построены условные графические обозначения туннельных диодов, обращенных и диодов Шотки — полупроводниковых приборов, используемых для обработки сигналов в области СВЧ. В символе туннельного диода (см. рис. 3, VD8) катод дополнен двумя штрихами, направленными в одну сторону (к аноду), в обозначении диода Шотки (VD10) — в разные стороны; в обозначении обращенного диода (VD9) — оба штриха касаются катода своей серединой.
Свойство обратно смещенного p-n-перехода вести себя как электрическая ёмкость использовано в специальных диодах — варикапах (от слов vari(able) — переменный и cap(acitor) — конденсатор). Условное графическое обозначение этих приборов наглядно отражает их назначение (рис. 3, VD6): две параллельные линии воспринимаются как символ конденсатора. Как и конденсаторы переменной ёмкости, для удобства варикапы часто изготовляют в виде блоков (их называют матрицами) с общим катодом и раздельными анодами. Для примера на рис. 3 показано обозначение матрицы из двух варикапов (VD1).
Базовый символ диода использован и в обозначении тиристоров (от греческого thyra — дверь и английского resistor — резистор) — полупроводниковых приборов с тремя p-n-переходами (структура р-n-p-n), используемых в качестве переключающих диодов. Буквенный код этих приборов — VS.
Тиристоры с выводами только от крайних слоев структуры называют динисторами и обозначают символом диода, перечеркнутым отрезком линии, параллельным катоду (рис. 4, VS1). Такой же прием использован и при построении обозначения симметричного динистора (VS2), проводящего ток (после его включения) в обоих направлениях. Тиристоры с дополнительным, третьим выводом (от одного из внутренних слоев структуры) называют тринисторами. Управление по катоду в обозначении этих приборов показывают ломаной линией, присоединенной к символу катода (VS3), по аноду — линией, продолжающей одну из сторон треугольника, символизирующего анод (VS4). Условное графическое обозначение симметричного (двунаправленного) тринистора получают из символа симметричного динистора добавлением третьего вывода (см. рис.4, VS5).
Рис.4. Условное обозначение динисторов, тринисторов
Из диодов, изменяющих свои параметры под действием внешних факторов, наиболее широко применяют фотодиоды. Чтобы показать такой полупроводниковый прибор на схеме, базовый символ диода помещают в кружок, а рядом с ним (слева вверху, независимо от положения) помещают знак фотоэлектрического эффекта — две наклонные параллельные стрелки, направленные в сторону символа (рис. 5, VD1—VD3). Подобным образом строятся обозначения любого другого полупроводникового диода, управляемого оптическим излучением. На рис. 5 в качестве примера показано условное графическое обозначение фотодинистора VD4.
Рис.5. Условное обозначение фотодиодов
Аналогично строятся условные графические обозначения светоизлучающих диодов, но стрелки, обозначающие оптическое излучение, помещают справа вверху, независимо от положения и направляют в противоположную сторону (рис. 6). Поскольку светодиоды, излучающие видимый свет, применяют обычно в качестве индикаторов, на схемах их обозначают латинскими буквами HL. Стандартный буквенный код D используют только для инфракрасных (ИК) светодиодов.
Рис.6. Условное обозначение светодиодов и светодиодных индикаторов
Для отображения цифр, букв и других знаков часто применяют светодиодные знаковые индикаторы. Условные графические обозначения подобных устройств в ГОСТе формально не предусмотрены, но на практике широко используются символы, подобные HL3, показанному на рис. 6, где изображено обозначение семисегментного индикатора для отображения цифр и запятой. Сегменты подобных индикаторов обозначаются строчными буквами латинского алфавита но часовой стрелке, начиная с верхнего. Этот символ наглядно отражает практически реальное расположение светоизлучающих элементов (сегментов) в индикаторе, хотя и не лишен недостатка; он не несет информации о полярности включения в электрическую цепь (поскольку подобные индикаторы выпускают как с общим анодом, так и с общим катодом, то схемы включения будут различаться). Однако особых затруднений это не вызывает, поскольку подключение общего вывода индикаторов обычно указывают на схеме. Буквенный код знаковых индикаторов — HG.
Светоизлучающие кристаллы широко используют в оптронах — специальных приборах, применяемых для связи отдельных частей электронных устройств в тех случаях, если необходима их гальваническая развязка. На схемах оптроны обозначают буквой U и изображают, как показано на рис. 7.
Рис.7. Условное обозначение оптронов
Оптическую связь излучателя (светодиода) и фотоприемника показывают в этом случае двумя стрелками, перпендикулярными к линиям электрической связи — выводам оптрона. Фотоприемником в оптроне могут быть фотодиод (см. рис. 7, U1), фототиристор U2, фоторезистор U3 и т. д. Взаимная ориентация символов излучателя и фотоприемника не регламентируется. При необходимости составные части оптрона можно изображать раздельно, но в этом случае знак оптической связи следует заменять знаками оптического излучения и фотоэффекта, а принадлежность частей к одному изделию показывать в позиционном обозначении (см. рис. 7, U4.1,U4.2).
Двухтранзисторная модель
α1,2 – коэффициент усиления тока
М – коэффициент лавинного умножения
IП1 — ток через переход П1
IП3 — ток через переход П2, аналогично
IК0 — обратный ток перехода П3 (генерационный и тепловой)
α = α1 + α2 — суммарный коэффициент передачи тока первого (p1-n1-p2) и второго (n2p2-n1) транзисторов
• напряжение и ток включения;
• ток выключения (удержания);
• максимально допустимый ток в открытом
состоянии;
время задержки включения и выключения;
класс по напряжению (понимается
предельное эксплуатационное напряжение в
сотнях вольт, не вызывающее
самопроизвольного включения тиристора или
разрушения его структуры).
Симистор
• Симметричные триодные тиристоры используются в в бытовых
приборах (швейные, стиральные машины, …), электромоторах,
диммерах, для создания реверсивных выпрямителей, в
светильниках, яркость которых управляется прикосновением,
нагревательные устройствах, строительных электроинструментах
и т.д.
Характеризуется симметричной ВАХ, имеющей участок с отрицательным
дифференциальным сопротивлением. Реализует два бистабильных состояния
”закрыто” и ”открыто”.
Обозначения в эл. схемах
В материале использованы изображения условных обозначений из Комплекта для черчения электрических схем GOST Eleсtro for Visio.
#2 RE: Полупроводников ые приборы. ГОСТ 2.730 — Александр Назаренко 06.02.2013 09:19
Цитирую Елена:
Как выглядит УГО термоэлектрического модуля (элемента Пельтье) для охлаждения и нагрева с двумя выводами и размеры этого УГО?
К сожалению стандарты не могут предусмотреть все возможные обозначения элементов схем.
В данном случае, обозначения элемента Пельтье, в стандартах я не встречал.
Но, стандарты ЕСКД допускают применение не стандартизованн ых условных обозначений, то есть своих, с обязательным отражением их в таблице обозначений.
К примеру, мои скупые знания принципа работы элемента Пельтье, позволили предложить такое обозначение:
Но Вы, в своем варианте, можете придумать совершенно другое обозначение, в соответствии с функцией, которую элемент будет выполнять в Вашем устройстве: нагревательный или охлаждающий элемент, датчик температуры или источник тока и т.д.
Самый простой и банальный способ обозначить элемент схемы, УГО которого нет в стандартах, это прямоугольник с выводами и с названием элемента.
#1 Елена 06.02.2013 09:14
Как выглядит УГО термоэлектричес кого модуля (элемента Пельтье) для охлаждения и нагрева с двумя выводами и размеры этого УГО?
Структура тиристора
• Тиристор
имеет А(анод),
К(катод) и две
базы, к одной
из которых
подключается
управляющий
электрод.
запирания напряжение на аноде положительно относительно
катода, ток незначителен.
Режим 2 – (1-2) — напряжение в этой точке
называется напряжением включения , а ток
через прибор – током включения .
Режим 3 – (2-3) – режим прямой проводимости.
Это минимальные напряжение и ток, необходимые
для поддержания тиристора в открытом состоянии.
Режим 4 – (0-4) – режим обратного запирания,
когда напряжение анода относительно катода
отрицательно.
Режим 5 – (4-5) – режим обратного пробоя.
Двухтранзисторная модель
α1,2 – коэффициент усиления тока
М – коэффициент лавинного умножения
IП1 — ток через переход П1
IП3 — ток через переход П2, аналогично
IК0 — обратный ток перехода П3 (генерационный и тепловой)
α = α1 + α2 — суммарный коэффициент передачи тока первого (p1-n1-p2) и второго (n2p2-n1) транзисторов
• напряжение и ток включения;
• ток выключения (удержания);
• максимально допустимый ток в открытом
состоянии;
время задержки включения и выключения;
класс по напряжению (понимается
предельное эксплуатационное напряжение в
сотнях вольт, не вызывающее
самопроизвольного включения тиристора или
разрушения его структуры).
Классификация
В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.
Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.
В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.
К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.
Общие параметры тиристоров
1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность
Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.
- полупроводниковые приборы
- электроника для начинающих
- электроника
- тиристор
Основные типы
Классификация тиристоров основывается на нескольких факторах. Во-первых, это количество выводов. Если их два, это динистор или диодный тиристор, три — тринистор, а также его называют триодным, а с четырьмя — тетродным тиристором. А еще есть симистор — симметричный тиристор, обладающий способностью включаться при напряжении любой полярности.
Выделяют также виды тиристоров, отталкиваясь от способа запирания и проводимости. Первые могут быть запираемыми и незапираемыми, а последние — обратнопроводящими, с ненормируемой обратной проводимостью, проводящими в прямом и обратном направлении.
Есть элементы, способные коммутировать довольно внушительные токи. Это силовые тиристоры. Они выпускаются в корпусах из металла, хорошо отводящих тепло.
Существуют и другие виды тиристоров, среди которых особый интерес представляют:
- Кремниевые управляемые переключатели (SCS). Они имеют дополнительный анодный затвор, который используется для отключения устройства при подаче положительного напряжения.
- Гибриды «тиристор-диод», имеющие четыре слоя и принимающие ток, который течёт в любом направлении. Они могут работать как с переменным, так и с постоянным током.
- Двунаправленные, способные проводить электрический ток в любом направлении.
- Симисторы, работающие без управляющей сетки и реагирующие только на кратковременные скачки напряжения.
- Тиристорный светодиод является отличной альтернативой тем элементам, которые на сегодняшний день используются в осветительных приборах. Он долговечен, потребляет мало электроэнергии, имеет небольшие габариты.
- Биполярные с изолированным затвором, имеющие четыре слоя и три вывода, но предназначенные для работы исключительно в качестве транзистора.
- Фазные, используемые для ограничения переменного тока путём переключения оборудования в проводящее состояние (и из него) через заданные интервалы времени.
Размерный ряд и маркировка данных элементов отечественного производства должна соответствовать ГОСТ 23900–87. Условное обозначение на схеме тиристора приведено на рисунке ниже.
Тиристоры всех типов обладают рядом достоинств. Среди них:
- Быстродействие и возможность переключения токов за микросекунды.
- Возможность управления высокими напряжениями и мощностями.
- Отсутствие движущихся частей и высокая надёжность.
- Возможность управления устройствами не только переменного, но и постоянного тока.
- Быстрая и простая активация.
- Низкая стоимость.
- Простота эксплуатации.
- Малые размеры.
При подборе должны учитываться основные параметры тиристоров.
Принцип работы
Контакты тиристора называют катодом, анодом и сеткой. Условное обозначение катода указывается стрелкой, но можно встретить также и буквенные обозначения К (катод), А (анод), С (сетка).
Чтобы ток протекал в соответствии с требованиями, потенциал анода должен быть выше потенциала катода. Как только электрозаряды начинают двигаться по четырём слоям кремния, каждый из них активируется поочерёдно. После активации всех слоев ток может свободно течь через тиристор. В этот момент устройство начинает работать в прямом направлении. Если оно перешло во включённое состояние, то будет оставаться в нем до тех пор, пока внешний ток не упадет до нуля или не изменит свое первоначальное направление. Последнее явление в электронике известно как обратное смещение или обратное напряжение.
Тиристоры старых типов выключались за счет реверсирования электротока. Деактивация современных моделей осуществляется управляемым вентилем. Такой тип устройств получил название тиристоров с затвором.
Как видим, принцип работы тиристора такой же, как у переключателя, но только открываются эти элементы при поступлении напряжения, а запираются при пропадании электротока. В электросхемах, функционирующих с использованием постоянного и переменного напряжения, тиристоры работают по-разному. В первых подключение элемента происходит при появлении кратковременного импульса между анодом и УЭ, а запирание — после снятия напряжения.
В схемах, предназначенных для работы с переменным напряжением, тиристор закрывается «автоматически» в результате падения силы электротока ниже порога удержания. В данном случае элемент способен пропускать лишь верхнюю полуволну синусоиды тока. При поступлении нижней полуволны элемент закрывается. Поэтому тиристоры способны проводить электроток лишь в одном направлении. Схема включения тиристора в электрическую цепь с разными типами тока представлена на рисунке ниже.
Чтобы понять, как работает тиристор, следует изучить его вольт-амперную характеристику. Например, при рассмотрении ВАХ диодного тиристора, изображенной на рисунке ниже, можно сделать вывод, что у него пять рабочих режимов. График включает положительную и отрицательную ветви, которые находятся в первом и третьем квадрантах. Последняя содержит участок, соответствующий закрытому состоянию элемента — от 0 до U пробоя. Если напряжение достигает своего порога, наблюдается лавинный пробой.
На участке от 0 до 1 ток медленно растет, а когда он достигает определенного уровня, элемент скачкообразно открывается (участок от 1 до 2). Участок между точками 2 и 3 соответствует режиму обычного диода.
Процесс перехода элемента в открытое состояние после достижения электротоком определенного уровня получил название динисторного эффекта. Подобное свойство присуще и трехэлектродным тиристорам, но данные элементы крайне редко используются в таком режиме. Разрабатывая схемы с применением тринистора, стараются избегать зоны ВАХ, соответствующей медленному нарастанию электротока. Этот элементы наделен управляющим электродом, поэтому включение осуществляется с его помощью.
Схемы управления
Рассматривая, как устроены тиристоры и их принцип работы, становится понятно, что они переходят из одного рабочего состояния в другое скачкообразно и при наличии внешнего воздействия, в качестве которого может выступать ток или фотоны (с их помощью управляются фототиристоры).
Как правило, используются тиристоры с тремя выводами: управляющим электродом (УЭ), катодом (К) и анодом (А). Такой элемент получил название «тринистор». Основная функция УЭ — включать и выключать электронный ключ. Тринистор открывается при условии, что напряжение между А и К сравнивается с рабочим напряжением или превышает его. В последнем случае между УЭ и К должен возникнуть импульс положительной полярности. Тринистор, силовой и любой другой тиристор способен пребывать в открытом состоянии бесконечно долго при условии постоянной подачи питающего напряжения. Чтобы закрыть его можно:
Для управления тиристорами используются следующие способы:
- Амплитудный. На УЭ подается положительное напряжение изменяющейся величины. Изменяя величину напряжения, можно изменять время открытия тиристора.
- Фазовый. Заключается в смене фазы управляющего напряжения.
- Фазово-импульсный. Используется импульс напряжения с крутым фронтом, который подается на УЭ. Этот способ на данный момент является самым распространенным.
Любая схема, используемая для управления тиристором, предназначена создавать управляющий сигнал, необходимый для надежного отпирания. Электронный ключ будет пребывать в закрытом состоянии до тех пор, пока на УЭ не поступит соответствующий импульс. Время от нулевой точки его синусоиды до момента срабатывания тиристора измеряется в градусах и называется углом среза фазы α или углом управления (отпирания). Изменяя время возникновения управляющего импульса, можно менять угол управления и, следовательно, среднее значение выпрямленного электротока.
Функциональные свойства тиристоров, определяемые их структурой, используются при создании устройств для автоматизации многих производственных процессов, а также разнообразных систем жизнеобеспечения. Эти элементы устанавливаются в транспортном и электроэнергетическом оборудовании, телекоммуникационной аппаратуре, в системах управления асинхронными электродвигателями.
