Простыми словами об устройстве тиристора
Тиристор представляет собой полупроводниковое устройство, функционирующее по принципу электронного ключа. Его основная роль – это регулировка прохождения электрического тока в цепи, либо полностью его пропуская, либо блокируя. В отличие от обычного механического выключателя, тиристор управляется электрическим сигналом, а не физическим нажатием. В данной статье мы рассмотрим устройство и принцип работы тиристора, перечислим характеристики и разновидности тиристоров, а также их основные преимущества и недостатки.
Устройство тиристора
Тиристор имеет сравнительно простую, но продуманную конструкцию, которая обеспечивает его надёжную работу в силовых цепях.
Слоистая структура PNPN
Из чего состоит тиристор? Его основу составляет четыре последовательно соединённых полупроводниковых слоя: p-n-p-n. Такая структура образует три p-n-перехода, которые играют важную роль в управлении током. В исходном состоянии переходы закрыты и ток не проходит. При подаче управляющего импульса внутренние переходы изменяют своё состояние, что позволяет открыть канал для прохождения тока между основными выводами. Именно эта PNPN-структура отличает тиристоры от обычных транзисторов и делает их идеальными для работы в режиме электронного ключа.
Выводы: анод, катод и управляющий электрод
У тиристора три вывода:
- Анод (A) – основной токопроводящий контакт, через который ток входит в прибор.
- Катод (K) – вывод, через который ток выходит.
- Управляющий электрод (G) или «затвор» – используется для подачи короткого управляющего импульса, который переводит устройство в открытое состояние.
После подачи управляющего сигнала тиристор остаётся открытым, пока ток в цепи не снизится ниже уровня удержания. Такая особенность делает устройство удобным для управления большими нагрузками при помощи маломощного сигнала.
Типы тиристоров
Существует несколько разновидностей:
- Классические тиристоры. Это наиболее распространённый вариант, предназначенный для работы в цепях постоянного и переменного тока.
- Симисторы. Работают в двух направлениях, что делает их удобными для регулирования переменного тока, например, в диммерах и регуляторах скорости электродвигателей.
- Динисторы. Более простые элементы без управляющего электрода. Они срабатывают автоматически при достижении определённого напряжения и часто применяются в схемах плавного пуска.
Как работает?
Работа тиристора основана на его способности переходить из запертого состояния в проводящее под действием короткого управляющего импульса. После открытия элемент способен проводить ток без дополнительного управления, пока сохраняются определённые условия.
Состояние «выключен» и «включен»
В обычном состоянии тиристор находится в закрытом режиме. Если его внутренние p-n-переходы заблокированы, то ток через него не идёт. Когда на управляющий контакт подаётся соответствующий сигнал, прибор открывается. Это приводит к прямому смещению внутренних p-n-переходов, позволяя основному току свободно протекать от анода к катоду.
Роль управляющего электрода
Перевод в открытое состояние осуществляется через управляющий электрод (затвор). Для этого достаточно короткого импульса малой мощности, который запускает процесс проводимости внутри полупроводниковой структуры. Управляющий сигнал фактически «разрешает» протекание тока, после чего необходимость в постоянном воздействии на затвор отпадает.
Условия удержания открытого состояния
После открытия он продолжает проводить ток самостоятельно. Для удержания проводящего состояния необходимо, чтобы ток нагрузки не опускался ниже так называемого удерживающего значения. Если сила тока превышает этот порог, тиристор остаётся включённым даже при отсутствии управляющего сигнала.
Отключение тиристора
Выключение происходит естественным образом при снижении тока в цепи ниже удерживающего уровня или при его полном обрыве. В цепях переменного тока это происходит автоматически в момент прохождения тока через нулевое значение. В цепях постоянного тока для отключения иногда применяют специальные схемы принудительной коммутации, которые временно создают условие отсутствия тока через прибор.
Области применения тиристоров
Основная область применения тиристоров – это управление мощными нагрузками в электрических цепях. Чаще всего они применяются в схемах управления электродвигателями, где требуется плавный пуск и регулировка скорости вращения. Еще они находят применение в осветительных установках, позволяя регулировать яркость ламп и снижать энергопотребление.
Кроме того, они используются в выпрямителях переменного тока, сварочных аппаратах и источниках бесперебойного питания, где важно обеспечить стабильное напряжение и надёжное переключение между режимами работы. В промышленности они применяются в силовых регуляторах, преобразователях частоты и системах управления нагревательными установками. Высокая надёжность и способность выдерживать значительные токи делают их востребованными в энергетике и транспортных системах.
Сравнение тиристора с другими приборами
Тиристоры часто сравнивают с транзисторами и диодами, так как все эти элементы используются для управления током в электрических цепях. Однако каждый из них имеет свои особенности и применяется в разных условиях. Тиристор лучше всего подходит для силовых цепей, где требуется управление большими токами и напряжениями, тогда как транзисторы эффективнее в схемах усиления и быстрого переключения. Диоды, в свою очередь, выполняют более простую функцию. Они пропускают ток в одном направлении и используются в выпрямителях.
Типовые схемы включения тиристора
Тиристоры используются в различных электрических схемах, и их подключение может отличаться в зависимости от выполняемой задачи.
Наиболее распространены следующие варианты:
- Схема управления нагрузкой в однофазной цепи. Простейший вариант, где тиристор включается последовательно с нагрузкой и используется для регулирования мощности. Такой способ часто применяют в осветительных установках и обогревателях.
- Фазоимпульсное управление. Позволяет изменять момент открытия тиристора в каждом полупериоде переменного тока, регулируя тем самым уровень подаваемой мощности. Используется в регуляторах напряжения и диммерах.
- Симметричная схема для переменного тока. Применяется в комбинации с симистором или двумя встречно-параллельными тиристорами. Такая схема позволяет управлять током и обычно используется в силовых регуляторах.
- Выпрямительные схемы. Тиристоры включают в состав управляемых выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный с возможностью регулирования выходного напряжения.
Пусковые схемы электродвигателей. Используются для плавного пуска и регулировки скорости вращения двигателей за счёт контроля подаваемой мощности.
Заключение
Тиристоры играют важную роль в современной электронике и силовой технике. Способность работать в качестве надёжных электронных ключей делает их незаменимыми в схемах управления мощностью, выпрямителях и пусковых устройствах. Благодаря высокой эффективности, долговечности и способности выдерживать большие токи они широко применяются как в бытовой технике, так и в промышленности.
