Тиристор — это полупроводниковый прибор, который применяется как электронный ключ для управления электрическим током. Как и полупроводниковый диод, тиристор способен проводить ток только в одном направлении и имеет два устойчивых состояния: закрытое и открытое. При этом есть возможность управлять моментом открытия тиристора через специальный третий управляющий электрод, но невозможно этим же электродом переключить прибор обратно в закрытое состояние (такие компоненты ещё называют однооперационными).
Существуют и другие виды тиристоров: динисторы, симисторы, запираемые тиристоры, фототиристоры, оптотиристоры. Все они отличаются структурой и способом управления. В этой статье мы сосредоточим внимание и рассмотрим только наиболее часто и широко применяемый на практике классический трёхвыводной тиристор (другое название — тринистор), запираемый в обратном направлении и с управлением по катоду.
Структура
Тиристор имеет три электрода: анод, катод и управляющий электрод. На рисунке 1 представлено условно-графическое обозначение (УГО) тиристора запираемого в обратном направлении и с управлением по катоду. Буквенное обозначение: VS.
Структурно рассматриваемый компонент состоит из трёх электронно-дырочных переходов (p-n-переходов), то есть имеет 4 слоя чередующихся типов проводимости (p-n-p-n). Основной полупроводниковый материал — кремний. На рисунке 2 наглядно представлена эта структура:
Для наглядности структуру прибора можно представить в виде двух биполярных транзисторов разных проводимостей (см. рис. 3). Базы и коллекторы транзисторов VT1 (прямая проводимость PNP) и VT2 (обратная проводимость NPN) соединены между собой, причём та пара база-коллектор, у которой база относится к VT2, создаёт управляющий электрод тиристора. А эмиттеры транзисторов формируют анод и катод тиристора, причём эмиттер VT1 — это анод (ток втекает в него), а эмиттер VT2 — катод (из него ток вытекает).
Принцип работы
Чтобы понять принцип работы тиристора, рассмотрим его вольт-амперную характеристику (ВАХ) (зависимость тока через прибор от приложенного к нему напряжения), представленной на рисунке 4:
ВАХ имеет несколько участков, каждый из которых соответствует определённому состоянию прибора:
1) участок «A — B» соответствует закрытому состоянию прибора с низкой проводимостью. Ток через тиристор очень мал и почти не зависит от приложенного напряжения на него. Если прикладываемое к аноду прибора напряжение (Uвх) относительного катода постепенно повышать, то при достижении определённого значения (напряжение включения Uвкл) он начинает включаться. Эта ситуация сейчас рассматривается при условии, что управляющее напряжение (Uупр) не подаётся;
2) участок «B — C» соответствует процессу включения тиристора. Величина пропускаемого им тока возрастает, а напряжение резко уменьшается. Прибор в процессе включения характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением, поскольку при уменьшении напряжения возрастает ток;
3) участок «C — D» соответствует открытому состоянию тиристора, и ток через него зависит от приложенного значения напряжения. Прибор будет находиться в открытом состоянии до тех пор, пока уровень протекающего тока не уменьшится до определённого значения — тока удержания (Iуд). Как только уровень тока через тиристор станет меньше значения тока удержания, прибор перейдёт в закрытое состояние (точка A);
4) участок «A — E» соответствует запертому состоянию тиристора. Если на него приложить обратное напряжение, то есть плюс приложить к катоду, а минус — к аноду, то прибор будет заперт до тех пор, пока уровень обратного напряжения не достигнет критического уровня, соответствующего обратному напряжению пробоя;
5) участок «E — F» соответствует пробитому состоянию прибора. При достижении уровня обратного напряжения пробоя, тиристор будет неконтролируемо пропускать ток, пока напряжение не будет снято с него.
Управляющий электрод необходим для того, чтобы можно было открывать прибор при намного меньших значениях напряжения, чем уровень напряжения включения (Uвкл). То есть, если приложить небольшое напряжение (Uупр) к управляющему электроду относительно катода с небольшим током управления (Iупр) (небольшим относительно того тока, что протекает через анод тиристора), то тиристор откроется при относительно небольших значениях входного напряжения (Uвх). Достаточно просто подать кратковременный импульс напряжения (Uупр) на управляющий электрод, чтобы полностью открыть тиристор. И далее не нужно тратить энергию на ток управления, прибор будет открыт до тех пор, пока через анод прибора течёт ток выше уровня тока удержания (Iуд).
Ещё раз: тиристор является не полностью управляемым ключом. Перейдя в открытое состояние, он остается открытым, даже если больше не подавать сигнал на управляющий электрод. Прибор выключится только тогда, когда ток через него будет меньше величины тока удержания.
Параметры и характеристики
При выборе тиристора и работе с ним важно обращать внимание на следующие основные технические характеристики и параметры:
1) предельный допустимый прямой ток — это максимальная величина силы тока, который может протекать через открытый ключ в прямо направлении;
2) ток удержания — минимальный ток, протекающий через прибор, при котором он остаётся в открытом состоянии (ниже этого значения ключ закрывается);
3) предельное обратное напряжение — это максимальное значение напряжения, которое тиристор способен выдержать в обратном направлении без пробоя;
4) наибольшее постоянное прямое напряжение (напряжение включения) — предельное значение напряжения, прикладываемое к прибору в прямом направлении, при котором он остаётся в закрытом состоянии без подачи управляющего сигнала. При превышении этого значения ключ переходит в открытое состояние;
5) напряжение в открытом состоянии — величина падения напряжения на тиристоре при максимальном прямом токе;
6) обратный ток — сила тока, протекающего через прибор в обратном направлении при максимальном обратном напряжении;
7) отпирающее постоянное напряжение управления — максимальное значение напряжения, которое нужно приложить к управляющему электроду относительно катода, чтобы перевести ключ в открытое состояние;
8) неотпирающее постоянное напряжение управления — максимальное значение напряжения, которое можно приложить к управляющему электроду относительно катода, и прибор не откроется;
9) отпирающий постоянный ток управления — минимальное значение тока, протекающего через управляющий электрод, при котором ключ переходит в открытое состояние;
10) неотпирающий постоянный ток управления — максимальное значение тока через управляющий электрод, при котором тиристор будет оставаться в закрытом состоянии;
11) время включения — максимальное время, в течение которого прибор переходит из закрытого состояния в открытое (не превышает нескольких десятков микросекунд);
12) время выключения — максимальное время, в течение которого тиристор закрывается;
13) средняя рассеиваемая мощность — величина мощности рассеивания, которое способен выделить прибор в процессе работы без повреждений;
14) импульсная рассеиваемая мощность управления — предельно допустимая мощность, которая может быть рассеяна управляющим электродом без повреждений;
15) критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии — максимально допустимая скорость (В/мкс) увеличения прямого напряжения, при которой не происходит самопроизвольного включения прибора;
16) критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии — предельно допустимая скорость (А/мкс) увеличения прямого тока, при которой тиристор успевает перейти в открытое состояние и не повредится из-за перегрева.
Для большинства приложений, в которых применяются тиристоры, обращают внимание только на базовые параметры:
— максимальное обратное напряжение;
— предельный допустимый прямой ток;
— отпирающее постоянное напряжение управления;
— отпирающий постоянный ток управления;
— ток удержания;
В качестве примера рассмотрим фрагмент документации от производителя на тиристор модели BT151-800R в корпусе TO-220:
Рисунок 5 — Базовые параметры и статические характеристики тиристора BT151-800R
На рисунке 5 представлены таблицы «Краткие справочные данные (Quick reference data)» и «Статические характеристики (Static characteristics)» из даташита к рассматриваемому прибору. Для него базовые характеристики следующие:
VDRM — максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии. Это значение соответствует предельному обратному напряжению;
IT(AV) — средний ток в открытом состоянии;
IT(RMS) — среднеквадратичный ток в открытом состоянии;
IGT — максимальный отпирающий постоянный ток управления;
IH — ток удержания;
VGT — отпирающее напряжение управления.
Для надёжной и эффективной работы элемента рекомендуется устанавливать его на радиатор охлаждения.
Схемы включения
В зависимости от модели тиристора и устройств, где он применяется, используются различные схемы включения управляющих электродов:
1) Управление посредством импульсного трансформатора
В этой схеме импульсный трансформатор используется для создания короткого импульса напряжения, который обеспечивает достаточные отпирающее постоянное напряжение и ток управления. Этот импульс открывает тиристор, и он остаётся открытым до тех пор, пока ток через него не станет меньше величины тока удержания. Такая схема выгодна тем, что для тиристоров, у которых управляющий ток составляет сотни миллиампер, не требуется относительно мощный источник питания управляющего сигнала.
2) Управление через симисторный оптрон (оптопару)
Данную схему удобно применять в приложениях с микроконтроллерным управлением: между системой управления и силовой цепью обеспечивается гальваническая развязка, а также не требуется мощный источник питания для обеспечения тока управления.
3) Управление анодным напряжением
Чтобы открыть тиристор, можно подать на его управляющий электрод анодное напряжение через токоограничивающий резистор. На рисунке 8 приведён пример классической схемы фазового регулятора мощности для активной нагрузки.
Выпрямленное напряжение после диодного моста поступает на анод прибора и группу токоограничивающих резисторов R2, R3 и R4. В зависимости от выбранного галетным переключателем резистора, регулируется величина тока, который протекает через резистор R5 и заряжает электролитический конденсатор C1. Общая величина сопротивления последовательно включённых резисторов влияет на скорость заряда конденсатора. Пока конденсатор заряжается, напряжение, прикладываемое к управляющему электроду, растёт. В течение этого времени ключ заперт. Как только конденсатор будет полностью заряжен, так сразу на управляющий электрод будет приложен достаточный уровень напряжения, чтобы тиристор открылся. Посредством изменения времени заряда конденсатора осуществляется регулировка мощности, выделяемой на активной нагрузке.
Как проверить
1) Проверка при помощи мультиметра
Рассмотрим проверку тиристора BT151 в корпусе TO-220 по следующему алгоритму (элемент должен быть никуда не впаян):
а) включить мультиметр в режим «проверка диодов»;
б) подключить красный (положительный) щуп к аноду;
в) подключить чёрный (отрицательный, COM) щуп к катоду;
г) мультиметр должен показывать «1» — нет проводимости, бесконечное сопротивление;
г) отдельным проводком соединить анод и управляющий электрод;
д) мультиметр должен показать величину падения напряжения на тиристоре (сотни милливольт). Это значит, что ключ открылся;
е) убрать отдельный проводок, разорвав связь анода и управляющего электрода;
ж) на индикаторе мультиметра вновь должно отображаться «1» — ключ закрылся, потому что ток, обеспечиваемый мультиметром, намного меньше тока удержания тиристора.
2) Простая проверочная схема с лампочкой
Более надёжным методом проверки тиристора является сборка полноценной проверочной схемы, представленной на рисунке 10:
Алгоритм проверки следующий:
а) для сборки схемы рекомендуется использовать источник питания с выходным постоянным напряжением 12 В и выходным током не менее 200 мА. В качестве индикатора можно взять миниатюрную лампочку накаливая (или мощный светодиод) с номинальным напряжением 3 В и мощностью 0,3 Вт. Резисторы для устойчивой работы лучше выбрать с номинальной мощностью рассеивания 2 Вт. Указанные на рисунке номиналы резисторов рассчитаны исходя из базовых характеристик тиристора BT151, которые были описаны в таблице выше на рисунке 5;
б) при нажатии на кнопку S1 к управляющему электроду прикладывается напряжение с выхода делителя напряжения, построенного на резисторах R2 и R3. С учётом указанных номиналов, выходное напряжение делителя составляет чуть менее 1 В, что соответствует диапазону отпирающего напряжения. При этом отпирающий ток равен около 14 мА;
в) тиристор откроется, и лампочка будет светиться. Даже если кнопку разомкнуть, ток через ключ будет продолжать течь (лампочка продолжает гореть), поскольку по цепи протекает ток гораздо больший (примерно 100 мА), чем ток удержания (20 мА);
г) в том случае, если при подачи питания на схему лампочка сразу загорелась, и при этом кнопка не замыкалась, то элемент считается пробитым (неисправным);
д) если после подачи питания и нажатия кнопки лампочка не включается, то элемент также считается неисправным.
Сфера применения
Тиристоры довольно широко применяются в различных областях электротехники:
— регулирование мощности: фазовые регуляторы мощности нагревательных элементов (паяльники, трубчатые электронагреватели) или ламп накаливания;
— управление скоростью вращения электродвигателей;
— системы преобразования энергии: инверторы и управляемые выпрямители;
— схемы защиты от перенапряжений.
Преимущества и недостатки
Преимущества
— простота конструкции, обеспечивающая высокую надёжность и долговечность;
— способность работать с высокими напряжениями и большими токами, что позволяет управлять мощными устройствами;
— высокое быстродействие (скорость срабатывания).
Недостатки
— инерционность: имея высокую скорость открытия и закрытия, тиристоры ограничены в частоте переключений, в отличие от транзисторов;
— чувствительность к перегрузкам: при превышении уровней напряжения и тока есть высокий риск повреждения;
— параметры значительно зависимы от температуры.