Тиристор. Описание, принцип работы, свойства и характеристики.

Популярные отечественные и зарубежные тиристоры. Справочные данные.
Простейшие схемы тиристорных регуляторов.

Тиристор - это довольно архаичный полупроводниковый прибор, ранее широко применявшийся в качестве силового ключа для управления мощной нагрузкой.
И хотя в настоящее время данный элемент уступает свои позиции симисторам (в цепях переменного тока) и силовым транзисторным ключам (в цепях постоянного тока), кривая совокупного радиолюбительского интереса к устройствам, выполненным на тиристорах, всё ещё находится на достаточно высоком уровне.
Приобщимся к процессу получения знаний, касающихся характеристик, принципов работы, а также способов управления тиристорами, и мы.

Итак.
Тиристор - это трёхвыводной полупроводниковый прибор, с тремя (иногда четырьмя) p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния:
- состояние низкой проводимости (закрытое состояние);
- состояние высокой проводимости (открытое состояние)
.

Тиристор Тиристор
Рис.1

На Рис.1 показано устройство тиристора и двухтранзисторная эквивалентная модель, позволяющая пояснить работу прибора в режиме прямого запирания.
Добавим для кучи вольт-амперную характеристику тиристора и схему, реализующую самый простой способ управления тиристорами - подачу на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (Рис.2).

ВАХ тиристора Тиристор
Рис.2

1. Для начала рассмотрим случай, когда управляющий электрод тиристора отключен (S1 на схеме разомкнут, Iу на ВАХ равен 0).
Тока через нагрузку нет (участок III на ВАХ), тиристор закрыт, и для того, чтобы его открыть, необходимо поднять напряжение на аноде тиристора настолько, чтобы возник лавинный пробой p-n-переходов полупроводника.
Оговоримся - зафиксировать нам этот процесс не удастся, потому что величина этого напряжения составляет несколько сотен вольт и, как правило, превышает амплитудное значение напряжения сети.
Тем не менее - при достижении этого уровня напряжения (точка II на ВАХ) тиристор отпирается, падение напряжения между анодом и катодом падает до единиц вольт, нагрузка подключается к сети - наступает рабочий режим открытого тиристора (участок I на ВАХ).
Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на аноде) ниже тока удержания. Причём данное анодное напряжение должно быть многократно ниже отпирающего напряжения.

2. Для того, чтобы снизить величину напряжения включения тиристора, следует замкнуть S1 и, тем самым, подать на управляющий электрод ток, задаваемый значением переменного резистора R1. Чем больше ток Iу, тем при меньшем анодном напряжении происходит переключение тиристора в проводящее состояние.
А при какой-то величине тока управляющего электрода, называемой током спрямления (на ВАХ не показано), горба на характеристике больше не будет, и ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода.
Абсолютно так же, как и в прошлом случае, чтобы закрыть тиристор необходимо снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на аноде) ниже значения тока удержания.

Обратная часть вольт-амперной характеристики (участок IV) соответствует режиму обратного запирания полупроводника и обычно не используется. Тиристор остается закрытым, пока не наступит тепловой пробой.

Итак, определились. Для открывания тиристора следует подать на управляющий электрод прибора постоянный ток с величиной, необходимой для его включения, для закрывания - снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на аноде) ниже значения тока удержания.
Т.е. в нашем случае, представленном на Рис.2 - тиристор будет открываться при замыкании S1 в каждый момент превышения анодным напряжением некоторого значения, зависящего от номинала R1, а закрываться с каждым полупериодом выпрямленного сетевого напряжения в момент приближения его уровня к нулевому значению.

Описанный способ управления тиристором посредством подачи на управляющий электрод постоянного тока прост, но обладает существенным недостатком - требуется довольно большой ток (а соответственно и мощность) управляющего сигнала (по паспорту - 200мА для КУ202).
Реальные величины тока управляющего электрода, достаточного для включения тиристора при комнатных температурах, обычно в несколько раз меньше цифр, приведенных в паспортных характеристиках (20-40мА для КУ202). Однако в большинстве случаев для управления тиристорами используется всё ж таки импульсный метод, либо метод, при котором открытый тиристор шунтирует цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.

Рассмотрим подобный метод на примерах.
На Рис.3 представлена простейшая классическая тиристорная схема регулятора мощности.

Регулятор на тиристоре Регулятор на тиристоре
Рис.3

Диодный мост Br1 преобразует двуполярное сетевое напряжение в однополярное удвоенной частоты, что позволяет регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.
В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, поступающая через резисторы R1 и R2 на управляющий электрод полупроводника. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора VS1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке.
Чем меньше будет значение R2, тем больше будет ток, поступающий на управляющий электрод, тем раньше откроется тиристор. При R2=0 - мощность в нагрузке максимальна (верхняя диаграмма).
При повороте ручки потенциометра R2, его сопротивление увеличивается, ток на управляющем электроде уменьшается, поэтому тиристор откроется уже не в начале полуволны, а спустя некоторое время, когда ток достигнет необходимого уровня.
Помимо этого, при увеличении сопротивления R2, управляющий сигнал получает дополнительную задержку, благодаря действию фазосдвигающей RC-цепочки, образованной R1, R2 и С1, что, в свою очередь, позволяет ещё больше расширить диапазон регулировки мощности.

Если нагрузка такова, что её необходимо запитать двуполярным переменным напряжением, схему можно преобразовать без какого-либо увеличения сложности.

Регулятор на тиристоре Регулятор на тиристоре
Рис.4

Всё тоже самое, только с другой стороны.

Как мы уже упоминали, рассматриваемые устройства являются простейшими и не лишены определённых недостатков. Их основными минусами являются слабая помехозащищённость, сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. К тому же, в связи с низким входным сопротивлением тиристора по управляющему входу, работа фазосдвигающей RC-цепи оказывается весьма неэффективной, что, в свою очередь, обуславливает недостаточно широкий диапазон регулировки мощности.
Значительно лучшим образом работают схемы, в которых формирование импульсов управления происходит посредством отдельных схем, выполненных на транзисторах, цифровых либо специализированных микросхемах. Однако, поскольку, всё имеет свои плюсы и минусы, то расплачиваться за усовершенствования приходится усложнением конструкции и необходимостью применения отдельного источника питания.

Поскольку в цепях постоянного тока тиристоры давно и без сожаления уступили место мощным транзисторам, специально спроектированным для работы в ключевых режимах, то и рассматривать их в данном контексте не имеет никакого основания.
А вот основные характеристики отечественных и зарубежных тиристоров окажутся совсем не лишними в копилке знаний пытливого радиолюбительского ума.
Тиристоры, максимальное прямое напряжение которых не дотягивает до амплитудного значения напряжения сети (300В) к рассмотрению также принимать не станем.

А на следующей странице мы рассмотрим принцип работы, свойства и характеристики симметричных триодных тиристоров - симисторов.

  Тип    U пр. макс,
  В  
  U обр. макс,
  В  
  Iпр max,
  А  
  Uпад откр,
  В  
  Iу отп,
  мА  
  Uу отп,
  В  
  КУ108В, Ж      1000     500     150 (имп)     <4     -     <25  
  КУ108М,Н,С,Т      800     400     150 (имп)     <4     -     <25  
  КУ108Ф, Ц      800     300     150 (имп)     <4     -     <25  
  КУ109А, В      700     50     1     <3,5     <100     <3  
  КУ109Б      750     50     1     <3,5     <100     <3  
  КУ109Г      600     50     1     <3,5     <100     <3  
  КУ110А      300     10     0,3     <1,9     <0,3     0,3...0,6  
  КУ111А      400     100     0,3     <5     <100     -  
  КУ113В      300     100     0,3     <4     -     <7  
  КУ201К, Л      300     300     2     <2     <100     <6  
  КУ202К      300     -     10     <1,5     <200     <7  
  КУ202Л      300     300     10     <1,5     <200     <7  
  КУ202М      400     -     10     <1,5     <200     <7  
  КУ202Н      400     400     10     <1,5     <200     <7  
  КУ208Г      400     400     5     <2     <160     <5  
  КУ210А      600     600     20     <2     <160     -  
  КУ210Б      500     500     20     <2     <160     -  
  КУ210В      400     400     20     <2     <160     -  
  КУ211А, Б      800     800     10     <2     <160     <12  
  КУ211В, Г      700     700     10     <2     <160     <12  
  КУ211Д, Е      600     600     10     <2     <160     <12  
  КУ211Ж, И      500     500     10     <2     <160     <12  
  КУ215А      1000     1000     5     <3     <160     -  
  КУ215Б      800     800     5     <3     <160     -  
  КУ215В      600     600     5     <3     <160     -  
  КУ218А      2000     2000     20     <3,5     -     <7  
  КУ218Б      1000     2000     20     <3,5     -     <7  
  КУ218В      1800     1800     20     <3,5     -     <7  
  КУ218Г      900     1800     20     <3,5     -     <7  
  КУ218Д      1600     1600     20     <3,5     -     <7  
  КУ218Е      800     1600     20     <3,5     -     <7  
  КУ218Ж      1400     1400     20     <3,5     -     <7  
  КУ218И      700     1400     20     <3,5     -     <7  
  КУ219А      1200     1200     20     <2     <150     -  
  КУ219Б      1000     1000     20     <2     <150     -  
  КУ219В      800     800     20     <2     <150     -  
  КУ220А-В      1000     1000     4     <1,5     -     -  
  КУ220Г, Д      800     800     4     <1,5     -     -  
  КУ221А, В      700     50     3,2     <3,5     <150     <7  
  КУ221Б      750     50     3,2     <3,5     <150     <7  
  КУ221Г      600     50     3,2     <3,5     <150     <7  
  КУ221Д      500     50     3,2     <3,5     <150     <7  
  КУ222А, В      2000     -     400 (имп)     <3,5     -     <50  
  КУ222Б, Г      1600     -     400 (имп)     <3,5     -     <50  
  КУ222Д, Е      1200     -     10     <3,5     -     <50  
  КУ224А      400     50     150 (имп)     <15     <100     <3  
  КУ228Д      300     -     10     -     -     -  
  КУ228Е      300     300     10     -     -     -  
  КУ228Ж      400     -     10     -     -     -  
  КУ228И      400     400     10     -     -     -  
  КУ239А, Б      400     -     250 (имп)     <20     -     <2  
  КУ240А-В      400     -     100 (имп)     <2,5     -     0,5...2,2  


  Тип    U пр. макс,
  В  
  U обр. макс,
  В  
  Iпр max,    
  А  
  Uпад откр,
  В  
  Iу отп,
  мА  
  Uу отп,   
  В  
  2N687      300     300     25     <2     <40     <2  
  2N688      400     400     25     <2     <40     <2  
  2N689      500     500     25     <2     <40     <2  
  2N690      600     600     25     <2     <40     <2  
  2N691      700     700     25     <2     <40     <2  
  2N692      800     800     25     <2     <40     <2  
  2N5204      600     600     25     <2     <40     <2  
  2N5205      800     800     25     <2     <40     <2  
  2N5206      1000     1000     25     <2     <40     <2  
  2N5207      1200     1200     25     <2     <40     <2  
  2N6403      400     400     10     -     <30     <1,5  
  2N6404      600     600     10     -     <30     <1,5  
  2N6405      800     800     10     -     <30     <1,5  
  2N6507      400     400     16     -     <30     <1,5  
  2N6508      600     600     16     -     <30     <1,5  
  2N6509      800     800     16     -     <30     <1,5  
  BT145-800R      800     800     25     -     <6     -  
  BT148-400R      400     400     4     -     <0,2     -  
  BT148-500R      500     500     4     -     <0,2     -  
  BT148-600R      600     600     4     -     <0,2     -  
  BT148-600R      600     600     4     -     <0,2     -  
  BT149D      400     400     0,8     -     <0,2     -  
  BT149G      600     600     0,8     -     <0,2     -  
  BT150-500R      500     500     4     -     <0,2     -  
  BT150-600R      600     600     4     -     <0,2     -  
  BT151-500R      500     500     12     -     <15     -  
  BT151-650R      650     650     12     -     <15     -  
  BT151-800R      800     800     9     -     <15     -  
  BT152-400R      400     400     20     -     <32     -  
  BT152-600R      600     600     20     -     <32     -  
  BT152-800R      800     800     20     -     <32     -  
  BT168E      500     500     0,8     -     <0,2     -  
  BT168G      600     600     0,8     -     <0,2     -  
  BT169D      400     400     0,8     -     <0,2     -  
  BT169G      600     600     0,8     -     <0,2     -  
  BT258-500R      500     500     8     -     <0,2     -  
  BT258-600R      600     600     8     -     <0,2     -  
  BT258-800R      800     800     8     -     <0,2     -  
  BT300S-600R       600     600     8     -     <15     -  





 

Главная страница | Наши разработки | Полезные схемы | Это нужно знать | Вопросы-ответы | Весёлый перекур
© 2017 Vpayaem.ru   All Rights Reserved