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.
Внешний вид и назначение
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.
Из чего состоит и как устроена работа тиристора
Самый простой тиристор – диодный (динистор) представляет собой структуру из полупроводника с различной проводимостью – p-n-p-n, и содержит три встречно включенных p-n перехода (обычный диод имеет структуру p-n с одним переходом). Принцип работы подобного тиристора таков:
- в обычном состоянии тиристор закрыт;
- открывается лишь при приложении напряжения определенного уровня, называемого напряжением открывания.
Подобную структуру имеет триодный тиристор (тринистор), только к одному из слоев проводника подключен электрод, называемый управляющим электродом (УЭ, Gate). Операции по открыванию тринистора производятся подачей токового сигнала в УЭ.
Симистор имеет более сложную структуру. При ее внимательном рассмотрении становится очевидным, что симметрия этого прибора — понятие относительное, и относится большей частью к силовой цепи.
При включении в силовую цепь с переменным напряжением полярность симистора соблюдать не надо, но для понимания работы системы управления вместо анода и катода у этого прибора выводы силовой цепи обозначаются, как условный анод и условный катод, которые еще маркируют, как А2 (МТ2) и A1(МТ1) соответственно. Открыть симистор можно одним из четырех способов:
- Если напряжение на условном аноде положительно относительно условного катода, то открыть прибор можно положительным по отношению к A1 напряжением на управляющем электроде (ток управления «втекает» в УЭ).
- В этой же ситуации открыть прибор можно отрицательным по отношению к A1 напряжением на управляющем электроде (ток управления «вытекает» из Gate).
- Напряжение на A2 отрицательно относительно A1. Симистор может быть открыт положительным относительно A1 напряжением на управляющем электроде.
- В этой же ситуации симистор открывается отрицательным по отношению к A1 напряжением на УЭ.
Закрыть симистор можно снижением тока главной цепи ниже уровня тока удержания.
Закрыть прибор, подобно тринистору, подачей напряжения обратной полярности не получится, так как симистор имеет двустороннюю проводимость.
Основные параметры
Первым параметром при выборе полупроводникового ключа является, конечно, максимально допустимый ток нагрузки. Если он не соответствует условиям эксплуатации, дальнейший выбор не имеет смысла. Если по этому параметру ключ подобран, надо проверить и другие его характеристики, характерные и для других полупроводниковых приборов (диодов):
- максимально допустимое прямое напряжение;
- предельное обратное напряжение;
- прямое падение напряжения;
- максимальная рассеиваемая мощность.
Есть и другие параметры, являющиеся специфическими для силовых элементов, переключающихся из одного состояния в другое:
- наименьшее время включения;
- наименьшее время выключения;
- наименьший отпирающий ток управляющего электрода;
- напряжение включения;
- минимальный ток удержания;
- наибольшее допустимая скорость нарастания тока в открытом состоянии;
- наибольшее допустимая скорость нарастания напряжения в открытом состоянии.
Время включения и выключения определяет частотные свойства тиристоров – чем оно ниже, тем на более высоких частотах может работать прибор. Скорость нарастания и спада тока позволяют определить пределы надежной, без несанкционированных срабатываний, работы.
Обозначение тиристоров на схемах
Основные виды тиристоров, упомянутых в данном обзоре, на схеме обозначаются с помощью следующих УГО:
- Динистор.
- Симметричный динистор.
- Тринистор, управляемый по катоду.
- Симистор.
Буквенный индекс для всех типов тиристоров – VS.
Вольт амперная характеристика
Начинать рассматривать вольт-амперные характеристики лучше с ВАХ динистора. Пусть к прибору приложено прямое напряжение. Изначально динистор заперт, его сопротивление велико. При повышении напряжения ток растет медленно (красная линия на графике), но лишь до определенного порога, называемого напряжением включения (Uвкл). В этот момент прибор открывается, его сопротивление резко, скачком падает (синяя линия), и при увеличении напряжения ток в цепи анод-катод резко растет (ограничивается сопротивлением нагрузки) – зеленый участок, на нем и выбирается рабочая точка прибора.
При приложении обратного напряжения динистор ведет себя, как обычный диод (черная линия на графике) – сначала его сопротивление велико, ток растет медленно. При достижении определенного обратного напряжения происходит лавинный пробой, и ток резко возрастает.
Существуют симметричные динисторы. У них ВАХ зеркальна относительно нулевой точки. При приложении напряжения в обратном направлении, прибор ведет себя так же, как и при приложении прямого напряжения.
Дальше логично рассмотреть вольт-амперную характеристику тринистора. При отсутствии воздействия на управляющем электроде, его ВАХ повторяет характеристику динистора.
Такое поведение тринистора называется динисторным эффектом. В большинстве случаев это вредное явление, поэтому при проектировании электронного устройства этого режима надо избегать.
Если в управляющий электрод (gate) полупроводникового прибора подать небольшой управляющий ток, напряжение открывания уменьшится, тринистор откроется раньше (штриховая красная линия на графике). С увеличением тока в УЭ, напряжение открывания будет уменьшаться. При достижении определенного значения тока тиристор будет открываться при любом напряжении в цепи анод-катод (зеленая штриховая линия на графике). Это основной режим работы тринистора.
ВАХ симистора напоминает одновременно характеристику симметричного динистора и ВАХ тринистора, симметричную относительно нуля. Это так и есть:
- симистор пропускает ток в двух направлениях;
- обладает динисторным эффектом;
- может открываться подачей сигнала на управляющий электрод.
Подобно тринистору, симистор практически не применяется в режиме динистора.
Схемы включения и способы управления тиристором
Область применения силовых полупроводниковых ключей ограничена их условиями запирания. Большая часть закрывается при снижении тока через них ниже определенного значения, называемого током удержания или при приложении обратного напряжения. Это позволяет использовать тиристоры в цепях переменного тока, где напряжение (и ток нагрузки) дважды за период проходят через ноль, создавая условия для закрывания ключа. В цепях постоянного напряжения вопрос запирания тиристоров сопряжен с проблемами.
Существуют запираемые тринисторы, которые закрываются подачей внешнего сигнала. Их можно использовать в цепях переменного напряжения, но такие приборы менее распространены.
Самая простая схема включения тиристора – последовательно с потребителем. Это позволяет включать и отключать нагрузку, используя полупроводниковый прибор в качестве своеобразного «рубильника».
На самом деле приведенные схемы могут работать только при соблюдении и учете определенных условий:
- для использования в цепях переменного напряжения динистор должен быть симметричным (проводить в обе стороны);
- при применении в цепях постоянного напряжения тринистор должен быть с возможностью отключения внешним сигналом, а при использовании в цепях переменного напряжения отрицательный полупериод будет срезаться, что приведет к уменьшению мощности на нагрузке.
Более эффективно применение тиристоров для работы в схемах фазового управления для регулирования мощности в нагрузке (яркость свечения электрических ламп, степень нагрева ТЭНов и т.п.).
Для этих целей практически всегда применяются тринисторы или симисторы. Область использования динисторов ограничена формированием импульсов и применением в состав ПРА для люминесцентных ламп.
Фазоимпулсьное управление мощностью нагрузки построено на изменении угла открывания полупроводниковго ключа. Если тиристор открывать в момент перехода синусоиды через ноль, то потребитель будет запитан в течение всего полупериода. При следующем переходе через ноль тиристор закроется, и тут же откроется подачей управляющего сигнала.
На самом деле ключ закроется не в момент перехода через ноль, а несколько ранее – когда ток через него снизится ниже тока удержания. Этот порог зависит от мощности потребителя.
Если открытие ключа немного задержать относительно перехода через ноль, то часть синусоиды окажется вырезанной, потребитель окажется запитанным в течение меньшего времени. Чем позже открывать ключ после перехода через ноль, тем большая часть синусоиды вырезается, тем меньше по времени ток течет через нагрузку. Таким образом можно управлять мощностью.
Практическая схема регулятора яркости приведена на рисунке. В ней используется динистор для формирования управляющих импульсов, а угол открывания регулируется потенциометром R1. Он задает время заряда конденсатор C1 – чем дольше конденсатор заряжается, тем позже откроется симистор.
Подобные схемы строят и на тринисторах, но надо помнить, что этот полупроводниковый прибор обладает односторонней проводимостью. В цепях переменного напряжения его использование требует дополнительных элементов либо встречно-параллельного включения двух тринисторов с соответствующей схемой управления.
Несмотря на определенные недостатки тиристоров (относительная сложность управления, необходимость наличия теплоотводов при работе с мощными нагрузками и т.п.), а также широкое распространение в последнее время мощных силовых транзисторов, тиристоры прочно занимают свою нишу в секторе силовых ключей. Вряд ил они будут оттуда вытеснены в обозримом будущем.
