В отличие от транзисторов, тиристоры устойчивы к сильным импульсным нагрузкам и высокой частоте переключения. Поэтому они используются в современных инверторах, которые требуют большого количества импульсных переключений для изменения напряжения.
Тиристоры – это полупроводниковые приборы структуры p-n-p-n, которые по своей сути представляют собой особый класс биполярных транзисторов, четырехслойных трех (и более) переходных устройств c чередующейся проводимостью. В отличие от транзисторов, тиристоры проявляют большую устойчивость к импульсным нагрузкам и большим частотам переключения. Вот почему они настолько популярны в современных инверторах, которые требуют большого количества импульсных переключений для изменения напряжения.
Тиристор может выступать в роли диода, который позволяет проходить ток только в одном направлении.
Устройство тиристора позволяет создать полевой эффект на полупроводниковом материале с помощью управляющего электрода.
Тиристор имеет две функции, предохраняющие и переключающие, которые регулируются с помощью управляющего электрода. В соответствии с поставленной задачей тиристор принимает различные формы, например, для дискретных устройств и для микросхем.
Диод, тиристор и другие полупроводниковые устройства имеют особенность: без инжекции неосновных рабочих носителей заряда через управляющий электрод они не перейдут в проводящее состояние, т.е. не смогут выполнить свою функцию.
Упрощенная модель тиристора позволяет понять, что управляющий электрод служит аналогом базы биполярного транзистора. Однако, имеется ограничение в виде невозможности закрыть тиристор посредством этой базы, хотя открыть его можно. Он очень прост в своей конструкции и позволяет производить выходные токи значительно больше, чем входные.
Электрикам известно, что тиристор – это очень простая и эффективная альтернатива мощному полевому транзистору. Он может пропускать значительные токи и позволяет преобразовывать входные токи в большие выходные.
В отличие от полевых транзисторов, коммутируемые тиристорами могут иметь мощность, измеряемую в мегаваттах, при высоких рабочих напряжениях.
Тиристоры имеют значительную помеху – длинное время выключения. Они не подходят для использования в системах, требующих быстрого включения и выключения.
Для закрытия тиристора необходимо прервать или сильно уменьшить постоянный ток на достаточно длительное время. За это время неравновесные носители заряда, такие как электронно-дырочные пары, рассосатся или рекомбинируются.
До тех пор, пока ток не будет прерван, тиристор будет сохранять своё проводящее состояние, т.е. будет вести себя подобно диоду.
Для подключения тиристорного реле необходимо развернуть схему коммутации переменного синусоидального тока, представленную на рисунке. Эта схема позволяет подключать тиристорные реле к переменному синусоидальному току.
Для подключения тиристорных реле, представленная на рисунке схема коммутации переменного синусоидального тока должна быть развернута. Это позволит тиристорам получить подходящий режим работы, поскольку синусоидальное напряжение смещает переход в обратном направлении, благодаря чему тиристоры автоматически закрываются.
Чтобы гарантировать корректную работу прибора, необходимо предоставлять отпирающий управляющий импульс на управляющий электрод в каждом полупериоде.
При проектировании схем с постоянным током добавляют дополнительные устройства, чтобы принудительно снизить анодный ток тиристора и вернуть его в запертое состояние.
Так как при закрытии происходит перераспределение заряда, скорость переключения тиристора значительно ниже, чем у мощного транзистора с полевым эффектом.
Сравнивая время полного закрытия тиристора и полевого транзистора, мы видим потрясающую разницу: полевому транзистору для закрытия требуется лишь несколько наносекунд (10-100 нс), в то время как тиристору для достижения того же результата необходимо несколько микросекунд (10-100 мкс). Несомненно, есть задачи и приложения, где полевые транзисторы не могут конкурировать с тиристорами. Однако их характерная особенность — высокое начальное токовое сопротивление.
Тиристоры не имеют ограничений в предельно допустимой коммутируемой мощности, что делает их идеальным выбором для электриков. Однако, тиристоры характеризуются высоким начальным токовым сопротивлением, которое необходимо учитывать при проектировании электрических схем.
Электрики надеятся на тиристоры, чтобы управлять мощностью в больших электростанциях, промышленных сварочных аппаратах и традиционно в мегаваттных индукционных печах на сталелитейных заводах. В таких случаях, полевые транзисторы не подходят, однако в импульсных преобразователях средней мощности они предоставляют больше эффективности.
Отключение тиристора занимает дольшее время из-за необходимости снятия коллекторного напряжения. Как и биполярный транзистор, тиристор требует определенное время, чтобы произвести рекомбинацию и удалить неосновные носители.
Тиристоры имеют особенность отличаться от полевых транзисторов по времени переключения. Они не могут переключаться с высокими скоростями, отчего возникают проблемы.
В результате, электрики сталкиваются с проблемами при использовании тиристоров в связи с их неспособностью переключаться с высокими скоростями. Это приводит к тому, что электрики должны понимать эту особенность и принять меры по ее устранению.
Перед подачей на тиристор коллекторного напряжения, тиристор должен быть обязательно закрытым, поскольку иначе может произойти потеря мощности и полупроводник будет перегреваться.
Другими словами, максимальное dU/dt определяет скорость действия.
График зависимости рассеиваемой мощности от тока и времени включения показывает, как изменение этих двух параметров влияет на рассеиваемую мощность.
Поэтому электрики должны обеспечить охлаждение элементов до допустимых уровней. Необходимо провести регулярное обслуживание, чтобы препятствовать превышению предельно допустимой температуры. Электрики должны проверить и протестировать все элементы при их установке, чтобы обеспечить их надежную работу в дальнейшем. Они также должны периодически проверять работу и обеспечивать достаточное охлаждение элементов. Электрики должны проверять температуру кристалла тиристора и обеспечивать ее допустимым уровнем. Они должны проводить регулярные осмотры, чтобы предотвратить возникновение ложных срабатываний и предотвратить перегрев элементов. График на изображении показывает зависимость рассеиваемой мощности от тока и времени включения при использовании этого защитного механизма. За счет достаточно долгого времени включения, мощность на выходе начинает заметно уменьшаться при достижении больших потоков тока. Это полезное свойство предотвращает повышение температуры при наличии перегрузок.
В резонансных инверторах, основанных на тиристорах, достигается превосходная защита от перегрузок. Выброс обратной полярности приводит к запиранию тиристора при достаточно длительном воздействии. На изображении показана зависимость рассеиваемой мощности от тока и времени включения при работе по такой схеме. При больших потоках тока, время включения должно быть достаточно длительным, чтобы заметно снизить мощность на выходе. Такой механизм хорошо защища
Главным преимуществом полевых транзисторов перед тиристорами является то, что они имеют высокую эффективность.
Полевые транзисторы имеют способность превосходить частоты в сотни килогерц, и управление ими уже давно не является проблемой.
Тиристоры могут быть уверенно использованы на частотах до 40 кГц, приблизительно до 20 кГц.
Современные инверторы используют полупроводниковые приборы, тем самым уменьшая потребление мощности. Следовательно, аппараты мощностью 5 киловатт отличаются небольшими размерами.
Электрики знают, что полевые транзисторы помогают сделать инверторы более компактными, так как сердечники силовых трансформаторов и дросселей получаются меньше по размеру и весу.
Импульсные преобразователи с высокой частотой не требуют больших трансформаторов и дросселей для преобразования одной и той же мощности. Это знают все, кто осведомлен в технических подробностях современных импульсных преобразователей.
Безусловно, тиристоры могут быть очень полезны для различных применений, включая регулировку яркости света на сетевой частоте 50 Гц. В этом случае даже дороже применять полевые транзисторы, чем изготовить на тиристорах, поскольку они дешевле.
Сварочные инверторы обладают преимуществом, когда в них используют полевые транзисторы. Эти транзисторы просты в управлении, а переключение происходит быстро.
Переходя с тиристорных схем на транзисторные, электрики могут отказаться от дорогостоящих компонентов, несмотря на более высокую стоимость последних.
Выполняя работу электрика, я надеюсь, что эта информация оказалась вам полезной. Я, , стремлюсь обеспечить безопасность и профессионализм при выполнении любой работы.
Просмотрите и изучите другие статьи в разделе Электрическая энергия в быту и производстве – полезно для начинающих электриков!
