Классификация, условные обозначения и применение тиристоров

 

Тиристоры классифицируют по следующим признакам:

- по количеству выводов;

- по виду выходной ВАХ;

- по способу включения и управления;

- по другим признакам (например, по мощности).

По количеству выводов различают:

- диодные тиристоры (динисторы), имеющие два вывода – анод и катод (рис. 6,а);

- Триодные тиристоры (тринисторы), имеющие три вывода – анод, катод и управляющий электрод (рис. 6,б - е);

- четырехэлектродные (тетродные) тиристоры, имеющие два входных и два выходных вывода (рис. 6,з);

По виду ВАХ различают:

- тиристоры, не проводящие в обратном направлении (рис. 6, а – г);

- Тиристоры, проводящие в обратном направлении (тиристоры с обратной проводимостью, или тиристоры – диоды), (рис 6,е);

- симметричные (двухпроводные, симисторы или триаки), которые могут переключаться в открытое состояние при любой полярности напряжения (рис. 6, д).

По способу включения тиристоры делятся на незапираемые (выключение обеспечивается только уменьшением тока до величины, меньшей удерживающего тока, либо отключением анодного напряжения) и запираемые (выключение возможно по входной управляющей цепи).

По способу управления существуют: тиристоры, фототиристоры и оптотиристоры. Первые управляются внешним электрическим сигналом по управляющему электроду. Фототиристор управляется внешним оптическим сигналом, а оптотиристор – внутренним оптическим сигналом (излучатель – светодиод и фототиристор составляют единую конструкцию).

а – динистор; б – тиристор с управлением по катоду; в –тринистор с управлением по аноду; г – запираемый тиристор; д – симистор;

е – тиристор – диод (с обратной проводимостью); ж - фототиристор; з – тиристорная оптопара.

Приведенная классификация указывает, что управление тиристором можно выполнять не только по катодному p-n переходу, но и по анодному. Действительно, наличие внутренней ПОС не делает разницы между тем, какой из эмиттеров будет усиливать инжекцию носителей при подаче управляющего сигнала. Причем, как уже отмечалось при выводе уравнения ВАХ, наличие управляющего тока необходимо только до момента переключения тиристора в открытое состояние, а затем он уже не нужен. То есть, управляющий сигнал может быть в форме кратковременного импульса.

Обычные тиристоры, рассмотренные здесь, относятся к незапираемым, то есть перевести их из открытого состояния в закрытое можно либо снижением тока ниже I_уд, либо выключением анодного напряжения, Но разработаны и широко применяются запираемые тиристоры, которые выключаются подачей на управляющий электрод импульса напряжения обратной полярности.

Весьма полезны для многих практических задач симметричные тиристоры (симисторы, триаки), которые имеют одинаковый вид ВАХ при подаче на них как прямого, так и обратного напряжения (рис.7).

О применении тиристоров в качестве электронных ключей упоминалось во введении. Такие ключи находят очень широкое применение во многих практических схемах. Например, управляемые выпрямители с возможностью регулирования тока через нагрузку (рис.8).

Если на анод тиристора подать переменное напряжение, то тиристор будет выполнять еще и функцию выпрямления переменного напряжения, то есть ток через тиристор и нагрузку R_A сможет протекать только в положительные полупериоды, и по форме будет представлять последовательность импульсов. В каждом таком импульсе тиристор откроется только в момент времени t₁, (рис. 8,б), когда напряжение на нем достигнет напряжения включения. В этот момент тиристор открывается, напряжение на нем резко падает, а ток через тиристор и нагрузку возрастает скачком. В конце импульса напряжение на тиристоре становится равным нулю и тиристор выключается. Изменением напряжения на управляющем электроде можно изменять ток управления и тем самым, момент включения тиристора и длительность импульса тока. А от этого будет зависеть среднее значение за период тока в нагрузке и мощности.

Второй пример – это генератор пилообразного напряжения (рис.9). В этой схеме конденсатор сравнительно медленно заряжается через резистор R от источника внешнего напряжения Е2. Пока напряжение на конденсаторе U_C меньше напряжения включения тиристор закрыт. Когда U_C = U_вкл тиристор открывается и конденсатор быстро разряжается через малое сопротивление самого тиристора и сопротивление нагрузки, которое одновременно ограничивает ток тиристора. В конце разряда конденсатора ток через тиристор снижается до удерживающего тока, после чего тиристор запирается и снова начинается цикл заряда конденсатора.

Из курса теоретической электротехники известно, что напряжение на конденсаторе, включенном в цепь постоянной ЭДС, нарастает по закону:

(2.9)

где t_з = RC (2.10)

постоянная времени заряда конденсатора. Скорость разряда будет зависеть от постоянной времени разряда t_р

t_р = R_НС. (2.11)

Изменение напряжения на конденсаторе при разряде описывается выражением:

(2.12)

Таким образом, выбором сопротивлений R и R_Н можно регулировать скорость нарастания и спада напряжения на конденсаторе. Его амплитудное значение определяется величиной U_вкл (U_вкл = U_CO), которое можно регулировать изменением напряжения управляющего электрода U_у. В цепь управления обычно тоже включают ограничительный резистор.

Если зафиксирована величина U_вкл, то период пилообразного напряжения можно изменять регулировкой сопротивлений R и R_Н. При заданных величинах R и R_Н период можно изменять изменением величины U_вкл.

Маркировка динисторов начинается с букв КН (кремниевый, неуправляемый), после чего следуют три цифры и буква, которые кодируют эксплуатационные параметры динистора. Маркировка тринисторов содержит первыми буквы КУ (кремниевый, управляемый), за которыми следуют три цифры и буквенный индекс, обозначающие определенный набор параметров. В 1973 г. была введена новая система обозначений диодов и транзисторов. В этой системе в обозначении тринисторов используется первой буква Т – тиристор. Далее может быть (или не быть) вторая буква, обозначающая: ТП – тиристор, проводящий в обратном направлении; ТД – тиристор-диод; ТЛ – лавинный тиристор; ТС – симметричный тиристор (симистор, триак); ТФ – фототиристор; ТО – оптотиристор. После этих букв следует набор цифр, обозначающих эксплуатационные параметры тиристора.

Основные параметры динисторов: I_ср.max – максимально допустимый средний ток в открытом состоянии; U_от – наименьшее значение прямого напряжения, необходимое для переключения динистора из закрытого состояния в открытое; U_обр.max – максимально допустимое постоянное обратное напряжение; U_ос - постоянное напряжение на тиристоре в открытом состоянии; I_зс – постоянный ток в закрытом состоянии.

Для тринисторов к числу основных параметров добавляются еще параметры цепи управления: I_у.от – отпирающий постоянный ток управления – это наименьший ток управления, необходимый для включения тиристора; U_у.от – постоянное отпирающее напряжение управления, то есть напряжение управления, соответствующее I_у.от; I_у.от.и и U_у.от.и – отпирающие импульсные ток и напряжение управления; I_у.з.и и U_у.з.и - запирающие импульсные ток и напряжение управления, т.е. наименьшие импульсные значения тока и напряжения, необходимые для выключения тиристора (для запираемых тиристоров).

Важными параметрами тиристоров являются также время включения t_вкл, время выключения t_выкл. общая емкость C_общ, максимальное значение прямого импульсного тока I_имп.max. Время включения тиристоров составляет обычно единицы микросекунд, а время выключения – десятки микросекунд. Это связано с тем, что для рассасывания избыточного заряда, накопленного базовыми областями, которое происходит путем рекомбинации, требуется определенное время. Поэтому тиристоры могут работать только в низкочастотном диапазоне. Верхняя граничная частота этого диапазона указывается в справочниках и обычно составляет единицы килогерц.

 

3.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА.

 

Работа выполняется на лабораторном стенде, включающем в себя лабораторный и базовый модули, в состав которых входят встроенные источники питания, цифровые измерительные приборы, генераторы импульсов и переменного низкочастотного напряжения, монтажное поле, функциональные элементы.

 

4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ.

 

4.1. Выписать справочные данные тиристоров КУ101А, КУ102А,

КУ104А. Для тиристора КУ101А рассчитать:

- величину сопротивления в цепи управления по допустимым значениям напряжения и тока управления;

- величину ограничительного резистора в цепи анода R_А, если напряжение источника питания E₂ = 30 В, а максимально допустимый средний ток приведен в справочнике;

- используя формулы (2.10), (2.11), рассчитать величину емкости конденсатора С и сопротивлений R и R_H в схеме генератора пилообразного напряжения рис.9. Частота следования импульсов должна составлять f = 1000 Гц. Соотношение между постоянными заряда и разряда конденсатора , а период следования импульсов . Величину ёмкости конденсатора принять С=0,5мкФ.

 

 

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

5.1. Собрать схему для измерений согласно рис.10 на тиристоре

КУ101А.

 

5.2. Снять передаточную характеристику тиристора при E₂ = 25В. Результаты измерений занести в табл.1

 

Таблица 1:

Uа, В
IУ,mA
IА, mА

5.3. Снять выходную характеристику тиристора при I_У=3,1…3,2mА. Данные занести в табл.2:

Таблица 2:

, mA
, В
, mA

5.4. Исследовать работу тиристора в схеме управляемого выпрямителя (рис.8, а). Зарисовать осциллограммы тока и напряжения U_A. Значения сопротивлений R_У и R_А взять по 1кОм.

5.5. Исследовать работу генератора пилообразного напряжения (рис.11). Величины сопротивлений резисторов и емкость конденсатора подобрать в соответствии с результатами расчета в разделе 4. Зарисовать осциллограммы напряжения на конденсаторе при 2…3 значениях тока управления и 2…3 значениях напряжения на выходе источника Е2.

 

 

6. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

6.1. При измерении передаточной характеристики (п.5.2) сначала следует установить напряжение источника Е2=25В с помощью выносного вольтметра, затем переключить его на измерение анодного напряжения U_А. Затем, плавно увеличивая напряжение источника Е1, следить за изменением тока управления. Особенно внимательно нужно проводить измерения, когда напряжение U_А начнет заметно изменяться. В этой области следует изменять напряжение источника Е1 ручкой регулировки «Точно». Миллиамперметр mА2 установить на предел измерений 200mА.

6.2. По данным таблицы 1 построить график передаточной характеристики.

6.3. При измерении выходной характеристики (п. 5.3) рекомендуется следующий порядок измерений:

- установить заданное значение с помощью источника E₁;

- увеличивая напряжение E₂, снять участок ОА характеристики, поддерживая I_У=const. (см.рис. 3). Зафиксировать значения и ;

- при дальнейшем увеличении напряжения E₂ зафиксировать резкий рост тока и незначительное изменение напряжения . Величина тока не должна превышать предельно допустимой;

- уменьшать ток I_У до минимально возможного U, уменьшая напряжение источника E₂, снять участок характеристики СВ, зафиксировав значения и .

Выходная характеристика получится соединением участков CВ и ОА.

6.4. При исследовании работы тиристора в схеме управляемого выпрямителя (п. 5.4) придерживаться следующего порядка работы:

- собрать схему в соответствии с рис. 8, а, сохранив R_У=R_A=1кОм;

- подключить один вход осциллографа к сопротивлению R_A, напряжение генератора установить 3…4В, и, плавно изменяя напряжение источника Е1, добиться появления на экране осциллограммы, подобной рис. 8,б;

- наблюдать на экране осциллографа и зарисовать в рабочей тетради осциллограммы тока и напряжения при 2…3 значениях управляющего тока. Записать значение I_У для каждой осциллограммы.

6.5 При выполнении п.5.5 установить напряжение источника Е2 в пределах 14…21В и, плавно увеличивая ток управления изменением напряжения источника Е1, следить за напряжением на тиристоре по внешнему вольтметру. Как только напряжение на тиристоре снизится до 10…8В, перейти на регулировку напряжения Е1 ручкой «точно» и добиваться появления генерации. Если тиристор открылся (напряжение на нём упало до 1,5…0,8В), а генерация не возникла, уменьшить ток управления до запирания тиристора, повысить напряжение на аноде (источником Е2) на (1,5…2)В и повторить снова запуск генерации увеличением тока управления. Для каждой осциллограммы записать значения тока управления и напряжений на тиристоре и на выходе источника питания Е2. Объяснить характер наблюдаемых изменений в осциллограммах.

6.6 По графику выходной ВАХ определить дифференциальное сопротивление тиристора в закрытом (участок ОА рис.3) и открытом (участок ВС) состояниях. Найти коэффициент переключения

.

6.7 Оценить величину отрицательного дифференциального сопротивления (участок АВ).

 

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

7.1. Формулировку цели работы, основные расчетные формулы.

7.2. Результаты расчета по разд.4.

7.3. Схемы проведения измерений, таблицы экспериментальных значений, графики.

7.4. Осциллограммы напряжений и токов.

7.5. Результаты расчета параметров.

7.6. Анализ полученных результатов и выводы по работе.

 

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

8.1. Дайте определение тиристора и назовите основные признаки классификации тиристоров.

8.2. Нарисуйте структуру динистора, укажите полярность включения источника питания и объясните процессы, происходящие в тиристоре на различных участках ВАХ.

8.3. Каково смещение коллекторного перехода тиристора после перехода в открытое состояние?

8.4. В чем преимущества тринисторов перед динисторами?

8.5. Нарисуйте схему включения тринистора, укажите полярность источников питания.

8.6. Какова роль управляющего электрода в тиристоре? Как будет выглядеть управляющая характеристика и почему?

8.7. Какими способами можно перевести тиристор из закрытого состояния в открытое?

8.8. Какими способами можно перевести тиристор из открытого состояния в закрытое?

8.9. Перечислите основные параметры и характеристики тиристоров.

8.10. Чем объясняется инерционность тиристоров?

8.11. Объясните вид осциллограмм тока и напряжения при работе тиристора в схеме управляемого выпрямителя.

8.12. Объясните роль тиристора в схеме генератора пилообразного напряжения.

 

9. ЛИТЕРАТУРА

 

[1], [2], [4], [14],[16].

 

Лабораторная работа N7