Тиристор и симистор в чем разница

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Чем симистор отличается от тиристора

Тиристором называется управляемый полупроводниковый переключатель, обладающий односторонней проводимостью. В открытом состоянии он ведет себя подобно диоду, а принцип управления тиристором отличается от транзистора, хотя и тот и другой имеют по три вывода и обладают способностью усиливать ток.

Выводы тиристора — это анод, катод и управляющий электрод.

Анод и катод — это электроды электронной лампы или полупроводникового диода. Их лучше запомнить по изображению диода на принципиальных электрических схемах. Представьте, что электроны выходят из катода расходящимся пучком в виде треугольника и приходят на анод, тогда вывод от вершины треугольника — катод с отрицательным зарядом, а противоположный вывод — анод с положительным зарядом.

Подав на управляющий электрод определенное напряжение относительно катода, можно перевести тиристор в проводящее состояние. А для того чтобы тиристор вновь запереть, необходимо сделать его рабочий ток меньшим, чем ток удержания данного тиристора.

Тиристор, как полупроводниковый электронный компонент, состоит из четырех слоев полупроводника (кремния) p и n-типа. На рисунке верхний вывод — это анод — область p-типа, снизу — катод — область n-типа, сбоку выведен управляющий электрод — область p-типа. К катоду присоединяется минусовая клемма источника питания, а в цепь анода включается нагрузка, питанием которой следует управлять.

Воздействуя на управляющий электрод сигналом определенной длительности, можно очень легко управлять нагрузкой в цепи переменного тока, отпирая тиристор на определенной фазе периода сетевой синусоиды, тогда закрытие тиристора будет происходить автоматически при переходе синусоидального тока через ноль. Это несложный и весьма популярный способ регулирования мощности активной нагрузки.

В соответствии с внутренним устройством тиристора, в запертом состоянии его можно представить цепочкой из трех диодов, соединенных последовательно, как показано на рисунке. Видно, что в запертом состоянии данная схема не пропустит ток ни в одном, ни в другом направлении. Теперь представим тиристор схемой замещения на транзисторах.

Видно, что достаточный базовый ток нижнего n-p-n-транзистора приведет к возрастанию его коллекторного тока, который тут же явится базовым током верхнего p-n-p-транзистора.

Верхний p-n-p-транзистор теперь отпирается, и его коллекторный ток складывается с базовым током нижнего транзистора, и тот поддерживается в открытом состоянии благодаря наличию в данной схеме положительной обратной связи. И если сейчас перестать подавать напряжение на управляющий электрод, открытое состояние все равно останется таковым.

Чтобы запереть эту цепочку, придется как-то прервать общий коллекторный ток данных транзисторов. Разные способы отключения (механические и электронные) показаны на рисунке.

Симистор, в отличие от тиристора, имеет шесть слоев кремния, и в проводящем состоянии он проводит ток не в одном, а в обоих направлениях, словно замкнутый выключатель. По схеме замещения его можно представить как два тиристора, включенных встречно-параллельно, только управляющий электрод остается один общий на двоих. А после открытия симистора, чтобы ему закрыться, полярность напряжения на рабочих выводах должна измениться на противоположную или рабочий ток должен стать меньше чем ток удержания симистора.

Если симистор установлен для управления питанием нагрузки в цепи переменного или постоянного тока, то в зависимости от текущей полярности и направления тока управляющего электрода, более предпочтительными окажутся определенные способы управления для каждой ситуации. Все возможные сочетания полярностей (на управляющем электроде и в рабочей цепи) можно представить в виде четырех квадрантов.

Стоит отметить, что квадранты 1 и 3 соответствуют обычным схемам управления мощностью активной нагрузки в цепях переменного тока, когда полярности на управляющем электроде и на электроде А2 в каждом полупериоде совпадают, в таких ситуациях управляющий электрод симистора достаточно чувствителен.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Что такое тиристор, как он устроен и работает

Впервые что такое тиристор было рассказано в работе американского физика Уильяма Шокли, написанной в 1956 году. Ученый, правда, назвал разработанное им устройство весьма громоздким термином: «двойной диод с четырьмя чередующимися полупроводниковыми слоями». В июле 1957 года фирма General Electric представила первую модель промышленного тиристора под названием «выпрямитель с кремниевым управлением».

Своё современное название устройство получило благодаря Джуэллу Эберсу. Чтобы получить термин «тиристор», он воспользовался греческим и английским языком. Из первого было взято слово hyra, означающее вход, дверь, а из второго — resistor или сопротивляющийся. Эберсу также удалось усовершенствовать структуру, предложенную Шокли, до того вида, который специалисты по электронным приборам могут наблюдать и в наше время.

Устройство и назначение

Тиристором называют полупроводниковый элемент с частичным управлением. Он способен пребывать в закрытом и открытом состоянии. Когда элемент закрыт, он электроток не проводит и, конечно, в открытом состоянии проводит. Управление является частичным, поскольку в проводящее состояние элемент переключается при воздействии управляющего импульса, а закрывается тогда, когда ток в силовой электрической цепи снижается до некоторого значения. Если говорить простыми словами, этот полупроводниковый элемент можно включить, но невозможно выключить. В проводящее состояние он переходит лавинообразно, о чем свидетельствует вольт-амперная характеристика тиристора (ВАХ).

Структура тиристора основывается на монокристаллическом полупроводнике с тремя или больше переходами типа p-n. Как правило, у него три вывода. С помощью одного из них происходит управление, а два других нужны для прохождения тока. Поскольку в качестве полупроводника обычно используется кремний, то в зарубежной литературе данные элементы называют кремниевыми выпрямителями (SCR).

Как видим, устройство тиристора не отличается сложностью. Структура элемента позволяет представить его как два транзистора с разной проводимостью. База в такой схеме соединяется с коллектором, а эммитеры заменяют анод и катод.

Современный тиристор по сути — это мощный двухпозиционный выключатель. Его можно встраивать в различные виды промышленного оборудования, работающего в схемах с использованием как постоянного, так и переменного электротока. Назначение любого тиристора — преобразование переменного электротока в постоянный. Этот элемент может функционировать лишь в режиме коммутации, он не способен самостоятельно переходить в закрытое положение. Поэтому основное применение современных тиристоров — управление довольно внушительными нагрузками за счет использования слабых сигналов.

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.

Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Тиристор в цепи постоянного тока

Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG , температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Среди способов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (или естественную коммутацию) и принудительное (или искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Способы принудительной коммутации весьма разнообразны. Наиболее характерны из них следующие: подключение предварительно заряженного конденсатора С ключом S (рис 3, а); подключение LC-цепи с предварительно заряженным конденсатором CK (рис 3 б); использование колебательного характера переходного процесса в цепи нагрузки (рис 3, в).

Рис. 3. Способы искусственной коммутации тиристоров: а) – посредством заряженного конденсатора С; б) – посредством колебательного разряда LC-контура; в) – за счёт колебательного характера нагрузки

При коммутации по схеме на рис. 3,а подключение коммутирующего конденсатора с обратной полярностью, например другим вспомогательным тиристором, вызовет его разряд на проводящий основной тиристор. Так как разрядный ток конденсатора направлен встречно прямому току тиристора, последний снижается до нуля и тиристор выключится.

В схеме на рис. 3,б подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего конденсатора Ск. При этом в начале разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Далее ток LC-контура переходит из тиристора VS в диод VD. Пока через диод VD протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде.

В схеме на рис. 3,в включение тиристора VS на комплексную RLC-нагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный характер с изменением полярности тока нагрузки iн. В этом случае после выключения тиристора VS происходит включение диода VD, который начинает проводить ток противоположной полярности. Иногда этот способ коммутации называется квазиестественным, так как он связан с изменением полярности тока нагрузки.

Тиристор в цепи переменного тока

При включении тиристора в цепь переменного тока возможно осуществление следующих операций:

• включение и отключение электрической цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;
• изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток только в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 4,а).

Рис. 4. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б)

Среднее и действующее значения тока варьируются за счёт изменения момента подачи на тиристоры VS1 и VS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт изменения угла и (рис. 4,б). Значения этого угла для тиристоров VS1 и VS2 при регулировании изменяется одновременно при помощи системы управления. Угол называется углом управления или углом отпирания тиристора.

Наиболее широкое применение в силовых электронных аппаратах получили фазовое (рис. 4,а,б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 4,в).

Рис. 5. Вид напряжения на нагрузке при: а) – фазовом управлении тиристором; б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией; в) – широтно-импульсном управлении тиристором

При фазовом методе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки возможно как за счёт изменения угла ? , так и угла ? . Искусственная коммутация осуществляется с помощью специальных узлов или при использовании полностью управляемых (запираемых) тиристоров.

При широтно-импульсном управлении (широтно-импульсной модуляции – ШИМ) в течение времени Тоткр на тиристоры подан управляющий сигнал, они открыты и к нагрузке приложено напряжение Uн. В течение времени Тзакр управляющий сигнал отсутствует и тиристоры находятся в непроводящем состоянии. Действующее значение тока в нагрузке

где Iн.м. – ток нагрузки при Тзакр = 0.

Кривая тока в нагрузке при фазовом управлении тиристорами несинусоидальна, что вызывает искажение формы напряжения питающей сети и нарушения в работе потребителей, чувствительных к высокочастотным помехам – возникает так называемая электромагнитная несовместимость.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, используемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных (сильнотоковых) цепей. Однако они имеют существенный недостаток – неполную управляемость, которая проявляется в том, что для их выключения необходимо создать условия снижения прямого тока до нуля. Это во многих случаях ограничивает и усложняет использование тиристоров.

Для устранения этого недостатка разработаны тиристоры, запираемые сигналом по управляющему электроду G. Такие тиристоры называют запираемыми (GTO – Gate turn-off thyristor) или двухоперационными.

Запираемые тиристоры (ЗТ) имеют четырехслойную р-п-р-п структуру, но в то же время обладают рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципиально отличное от традиционных тиристоров – свойство полной управляемости. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении идентична ВАХ обычных тиристоров. Однако блокировать большие обратные напряжения запираемый тиристор обычно не способен и часто соединяется со встречно-параллельно включенным диодом. Кроме того, для запираемых тиристоров характерны значительные падения прямого напряжения. Для выключения запираемого тиристора необходимо подать в цепь управляющего электрода мощный импульс отрицательного тока (примерно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но короткой длительности (10-100 мкс).

Запираемые тиристоры также имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (примерно на 20-30 %) по сравнению с обычными тиристорами.

Основные типы тиристоров

Кроме запираемых тиристоров разработана широкая гамма тиристоров различных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Среди них следует отметить следующие типы:

• тиристор-диод , который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодом (рис. 6.12,a);
• диодный тиристор (динистор) , переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного между А и С (рис. 6,b);
• запираемый тиристор (рис. 6.12,c);
• симметричный тиристор или симистор , который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);
• быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);
• тиристор с полевым управлением по управляющему электроду , например, на основе комбинации МОП-транзистора с тиристором;
• оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) — симистор

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS . Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Рис. 7. Типовая схема защиты тиристора

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров применяются цепи формирования траектории переключения, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: