Кремниевый управляемый выпрямитель

Кремниевый управляемый выпрямитель (СКР)

Кремниевый управляемый выпрямитель (СКР), также известный как тиристор, представляет собой электрический компонент большой мощности. Его преимущества заключаются в небольшом размере, высокой эффективности и длительном сроке службы. В системах автоматического управления его можно использовать в качестве мощного драйвера для управления мощными устройствами с маломощным управлением. Он широко используется в системах управления скоростью двигателей переменного и постоянного тока, системах регулирования мощности и сервосистемах.

Существует два типа тиристоров: однонаправленный тиристор и двунаправленный тиристор. Двунаправленный тиристор, также известный как трехполюсный двунаправленный тиристор, сокращенно ТРИАК. Двунаправленный тиристор структурно эквивалентен двум однонаправленным тиристорам, включенным в обратном порядке, и этот тип тиристора имеет функцию двунаправленной проводимости. Его состояние включения/выключения определяется полюсом управления G. Добавление положительного (или отрицательного) импульса к полюсу управления G может заставить его проводиться в прямом (или обратном) направлении. Преимущество этого устройства заключается в простоте схемы управления и отсутствии проблем с устойчивостью к обратному напряжению, поэтому оно особенно подходит для использования в качестве бесконтактного переключателя переменного тока.

1 структура СКР

Мы используем однонаправленные тиристоры, также известные как обычные тиристоры. Они состоят из четырех слоев полупроводникового материала с тремя ПН-переходами и тремя внешними электродами (рис. 2 (а)): электрод, выведенный из первого слоя полупроводника P-типа, называется анодом А, электрод, выведенный из третий слой полупроводника P-типа называется управляющим электродом G, а электрод, выведенный из четвертого слоя полупроводника N-типа, называется катодом К. Из электронного обозначения тиристора [рис. 2 (б)], мы видим, что это однонаправленное проводящее устройство, подобное диоду. Ключевым моментом является добавление управляющего электрода G, что делает его рабочие характеристики совершенно отличными от диода.

Производство четырехслойного трехконтактного устройства P1N1P2N2 на основе монокристалла кремния в качестве основного материала началось в 1957 году. Из-за своих характеристик, аналогичных вакуумным тиристорам, на международном уровне его обычно называют кремниевыми тиристорами, сокращенно тиристорами T. Кроме того, поскольку тиристоры Первоначально использовались для статического выпрямления, они также известны как кремниевые выпрямительные элементы, сокращенно тиристорные СКР.

С точки зрения производительности кремниевый управляемый выпрямитель не только имеет одинарную проводимость, но также имеет более ценную управляемость, чем компоненты кремниевого выпрямителя (широко известные как"мертвый кремний"). У него всего два состояния: включено и выключено.

Тиристор может управлять мощным электромеханическим оборудованием с током миллиамперного уровня. Если эта мощность будет превышена, средний допустимый ток уменьшится из-за значительного увеличения потерь при переключении компонентов. В это время номинальный ток должен быть понижен для использования.

У тиристора много преимуществ, таких как управление высокой мощностью при малой мощности, а коэффициент усиления мощности может достигать нескольких сотен тысяч раз; Чрезвычайно быстрый отклик, включение и выключение за микросекунды; Нет контактной работы, нет искр, нет шума; Высокая эффективность, низкая стоимость и т. д.

Тиристоры в основном классифицируются по внешнему виду на болтовые, плоские пластинчатые и с плоским дном.

Структура тиристорных компонентов

Независимо от внешнего вида тиристоров, их сердечник представляет собой четырехслойную структуру P1N1P2N2, состоящую из кремния P-типа и кремния N-типа. См. рисунок 1. Он имеет три ПН-перехода (J1, J2, J3): анод A введен из слоя P1 структуры J1, катод K введен из слоя N2 и управляющий электрод G введен из слоя P2. Таким образом, это четырехслойное полупроводниковое устройство с тремя выводами.

2 принцип работы

Конструктивные элементы

Тиристор представляет собой четырехслойный трехвыводной структурный элемент П1Н1П2Н2 с тремя ПН-переходами. При анализе принципа его можно рассматривать как состоящее из ПНП-транзистора и НПН-транзистора, а его эквивалентная схема показана на рисунке справа. Двунаправленный тиристор: Двунаправленный тиристор представляет собой выпрямительное устройство с кремниевым управлением, также известное как ТРИАК. Это устройство может обеспечить бесконтактное управление мощностью переменного тока в цепях, контролируя большие токи с помощью малых токов. Его преимущества заключаются в отсутствии искр, быстром срабатывании, длительном сроке службы, высокой надежности и упрощенной структуре схемы. По внешнему виду двунаправленный тиристор очень похож на обычный тиристор с тремя электродами. Однако, за исключением одного электрода G, который по-прежнему называется управляющим электродом, два других электрода обычно больше не называются анодом и катодом, а вместе называются основными электродами Т1 и Т2. Его символ также отличается от символа обычных тиристоров, который нарисован путем обратного соединения двух тиристоров вместе, как показано на рисунке 2. Его модель обычно изображается как"3CTS"или"КС"в Китае; Иностранные данные также могут быть представлены как «ТРИАК». Технические характеристики, модели, внешний вид и расположение выводов электродов двунаправленного тиристора различаются в зависимости от производителя, но большинство выводов электродов расположены слева направо в порядке T1, T2 и G (при наблюдении выводы электродов имеют вид лицом вниз и лицом к стороне, отмеченной символами). Внешний вид и расположение выводов электродов наиболее распространенных на рынке двунаправленных тиристоров с пластиковой инкапсулированной структурой показаны на рисунке 1.

3 характеристики СКР

Чтобы интуитивно понять рабочие характеристики тиристоров, давайте взглянем на эту обучающую доску (рис. 3). Тиристор ПРОТИВ включен последовательно с лампочкой ЭЛЬ и подключен к источнику постоянного тока через переключатель S. Обратите внимание, что анод А подключен к положительному полюсу источника питания, катод К - к отрицательному полюсу источника питания. питания, а управляющий электрод Г подключается к положительному полюсу источника питания постоянного тока 1,5 В через кнопочный переключатель СБ (здесь используются тиристоры типа КП1, а при использовании тиристоров типа КП5 их следует подключить к положительному полюсу источника питания постоянного тока 1,5 В). источник питания постоянного тока 3 В). Способ соединения тиристора с источником питания называется прямым подключением, что означает, что положительное напряжение подается как на анод, так и на управляющий полюс тиристора. Включите сетевой выключатель S, но маленькая лампочка не загорится, что свидетельствует о непроводимости тиристора; Нажмите кнопку переключателя СБ еще раз, чтобы подать напряжение срабатывания на полюс управления. Маленькая лампочка загорается, указывая на то, что тиристор проводит ток. Какое вдохновение дал нам этот демонстрационный эксперимент?

Этот эксперимент показывает нам, что для того, чтобы сделать тиристор проводящим, необходимо подать прямое напряжение между его анодом А и катодом К, а другой — подать прямое триггерное напряжение между его управляющим электродом G и катодом К. После включения тиристора Включите, отпустите кнопку-переключатель, снимите пусковое напряжение и сохраняйте состояние проводимости.

4 Характеристики СКР

Одним прикосновением. Однако если к аноду или управляющему электроду приложено обратное напряжение, тиристор не сможет проводить ток. Функция полюса управления – включение тиристора путем подачи прямого триггерного импульса, но выключение его невозможно. Итак, каким способом можно отключить проводящий тиристор? Выключив проводящий тиристор, можно отключить анодное питание (переключатель S на рисунке 3) или уменьшить анодный ток до минимального значения, необходимого для поддержания непрерывности (называемого током поддержания). Если между анодом и катодом тиристора приложено переменное напряжение или пульсирующее постоянное напряжение, тиристор автоматически выключится, когда напряжение достигнет нуля.

Тип приложения

На рис. 4 представлена ​​характеристическая кривая двунаправленного тиристора.

Как показано на рисунке, характеристическая кривая двунаправленного тиристора состоит из кривых внутри первого и третьего квадрантов. Кривая в первом квадранте показывает, что когда напряжение, приложенное к основному электроду, приводит к тому, что Тс имеет положительную полярность по отношению к T1, это называется прямым напряжением и обозначается символом U21. Когда это напряжение постепенно увеличивается до напряжения точки поворота УБО, тиристор в левой части рисунка 3 (b) запускает проводимость, и ток включенного состояния в это время равен I21, текущий от T2 к Тл. Из рисунка видно, что чем больше ток срабатывания, тем меньше напряжение включения. Эта ситуация согласуется с законом проводимости обычного тиристора. Когда напряжение, приложенное к основному электроду, приводит к тому, что Тл имеет положительную полярность по отношению к T2, это называется обратным напряжением и обозначается символом U12. Когда это напряжение достигает значения напряжения точки поворота, тиристор в правой части рисунка 3 (б) запускает проводимость, и ток в это время равен I12 с направлением от Т1 к Т2. В этот момент характеристическая кривая двунаправленного тиристора показана в третьем квадранте рисунка 4.

Четыре метода запуска

В связи с тем, что на главном электроде двунаправленного тиристора он может срабатывать и проводиться независимо от того, приложено ли прямое или обратное напряжение, а также от того, является ли сигнал запуска прямым или обратным, он имеет следующие четыре способа запуска: 1) Когда напряжение, приложенное основным электродом T2 к Тл, является прямым напряжением, напряжение, приложенное управляющим электродом G к первому электроду Тл, также является прямым триггерным сигналом (рис. 5a). После того как двунаправленный тиристор запускает проводимость, направление тока I2l течет от T2 к T1. Из характеристической кривой видно, что закон проводимости двунаправленного тиристорного триггера осуществляется в соответствии с характеристиками второго квадранта, и поскольку сигнал триггера направлен в прямом направлении, этот триггер называется"триггер вперед в первом квадранте"или метод I+курок. (2) Если прямое напряжение по-прежнему приложено к основному электроду Т2, а сигнал запуска меняется на обратный сигнал (рис. 5b), то после того, как двунаправленный тиристор запускает проводимость, направление тока во включенном состоянии все еще остается от Т2 до Т1. Мы называем этот триггер"отрицательный триггер первого квадранта"или метод I-триггера. (3) На два главных электрода подается обратное напряжение U12 (рис. 5c), и вводится прямой триггерный сигнал. После включения двунаправленного тиристора ток открытого состояния течет от Т1 к Т2. Двунаправленный тиристор работает в соответствии с характеристической кривой третьего квадранта, поэтому этот триггер называется методом триггера III+. (4) Два главных электрода по-прежнему подают обратное напряжение U12, а на входе подается обратный триггерный сигнал (рис. 5d). После включения двунаправленного тиристора ток во включенном состоянии все еще течет от Т1 к Т2. Этот триггер называется III касанием.

(4) Два основных электрода по-прежнему подают обратное напряжение U12, а на входе подается обратный триггерный сигнал (рис. 5d). После включения двунаправленного тиристора ток во включенном состоянии все еще течет от Т1 к Т2. Этот триггер называется методом триггера III. Хотя двунаправленный тиристор имеет описанные выше четыре метода запуска, напряжение и ток запуска, необходимые для запуска отрицательного сигнала, относительно невелики. Работа относительно надежна, поэтому методы отрицательного запуска широко используются в практическом использовании.

5 Цель

Самым основным применением обычных тиристоров является управляемое выпрямление. Знакомая схема диодного выпрямителя относится к схеме неуправляемого выпрямителя. Если диод заменить на тиристор, можно сформировать схему управляемого выпрямителя. Если взять в качестве примера простейшую однофазную полуволновую управляемую схему выпрямителя, то во время положительного полупериода синусоидального переменного напряжения U2, если на управляющий полюс ПРОТИВ не поступает триггерный импульс угу, ПРОТИВ все равно не может проводить ток. Только когда U2 находится в положительном полупериоде и на управляющий полюс подается импульс запуска угу, тиристор срабатывает на проведение. Нарисуйте его осциллограммы (в) и (г), и только при поступлении импульса запуска угу на нагрузке РЛ появится напряжение UL. Уг наступает раньше, и время проводимости тиристора рано; Уг приехал поздно, да и время проводимости тиристора было позже. Изменяя время поступления импульса запуска угу на полюс управления, можно регулировать среднее выходное напряжение UL на нагрузке. В электротехнике полупериод переменного тока часто устанавливают равным 180°, известному как электрический угол. Таким образом, электрический угол, возникающий в течение каждого положительного полупериода U2 от нуля до момента поступления триггерного импульса, называется углом управления α; Электрический угол, под которым тиристор проводит ток в каждом положительном полупериоде, называется углом проводимости θ. 。 Очевидно, что α и θ оба используются для представления диапазона проводимости или блокировки тиристоров в течение полупериода выдерживания прямого напряжения. Изменяя угол управления α или угол проводимости θ, изменяя среднее значение UL импульсного постоянного напряжения на нагрузке, достигается управляемое выпрямление.

1: Маломощный двунаправленный кремниевый выпрямитель в пластиковой капсуле обычно используется в качестве акустооптической системы освещения. Номинальный ток: Я меньше 2А.

2: Большой; Тиристоры средней мощности с пластиковым и железным уплотнением обычно используются в качестве регулируемых цепей регулирования напряжения силового типа. Например, источник питания постоянного тока с регулируемым выходным напряжением и т. д.

3: Высокочастотный тиристор высокой мощности обычно используется в промышленности; Высокочастотная плавильная печь и т. д.