Тиристоры для чайников

Тиристоры для чайников

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно тут.

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы

Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.

К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

Главная

Тиристоры и симисторы широко применяются в различных устройствах автоматики (регуляторах мощности, коммутаторах и пр.). Радиолюбители часто используют приборы, извлеченные из устаревшей радиоаппаратуры, и перед употреблением желательно удостовериться в их исправности.
Первичная проверка исправности («годен» — «не годен») диодов и транзисторов легко выполняется с помощью обычного тестера (омметра). Тиристор проверить несколько сложнее, поскольку он представляет собой структуру из 4-х р-n-переходов (симистор — из 5) и напрямую не «звонится».
Однако вооружившись двумя стрелочными тестерами, работающими в режиме омметра, тиристор можно легко «прозвонить».

Измерительные приборы по очереди подключаются к тиристору, как это показано на рис.1а

(следует обратить внимание на полярность подключения, поскольку указанная на тестере полярность клемм соответствует измерению напряжений и токов и для омметра обычно является обратной). Сопротивление тиристора между анодом и катодом должно быть бесконечно большим при подключении первого омметра (Р1). Подсоединение провода от второго омметра (Р2) к управляющему электроду должно открыть исправный тиристор за счет поступающего с омметра напряжения, и его сопротивление между анодом и катодом с бесконечности должно уменьшиться до десятков ом.
Вместо второго омметра можно воспользоваться любой кнопкой с
замыкающимися контактами (рис.1 б). После кратковременного нажатия кнопки SB1 тиристор открывается и чаще всего остается открытым до момента, пока не отключается прибор. Для такой экспресс-проверки не обязательно выпаивать тиристор из схемы, достаточно отключить от штатных цепей только его управляющий электрод. При необходимости регулярного контроля тиристоров удобнее изготовить специальный малогабаритный пробник. Схема простого пробника для проверки тиристоров приведена на рис.2.

В ней использован известный принцип работы тиристора: когда между анодом и катодом приложено напряжение соответствующей полярности (плюсом к аноду), для открывания тиристора на управляющий электрод необходимо
подать положительное напряжение относительно катода. При этом в цепи «управляющий электрод—катод» появляется ток, и тиристор открывается. Если ток, протекающий через тиристор, меньше тока удержания данного экземпляра тиристора, то при снятии напряжения с управляющего электрода тиристор закрывается. Если же ток превышает ток удержания, тиристор остается открытым.
Проверяемый тиристор VSx подключается к контактам пробника. Тиристор исправен, если при его подключении светодиод HL1 не горит, а
при нажатии на кнопку SB1 — зажигается. При отпускании кнопки светодиод может светиться или нет — это зависит от тока удержания проверяемого тиристора. Если светодиод светится до нажатия на кнопку или не светится после ее нажатия, проверяемый тиристор неисправен.
Но при проверке этим пробником тиристоров КУ112 или аналогичных могут быть забракованы вполне исправные тиристоры. Тиристоры КУ112 обладают большим быстродействием и чувствительностью. На рис.3 показана часть схемы пробника с включенным тиристором в виде упрощенной эквивалентной схемы.

На ней Сау — емкость цепи «анод — управляющий электрод», Ску — емкость цепи «катод — управляющий электрод». Это — внутренние емкости тиристора, и при нажатии SB1 (рис.2) они заряжаются, причем Ску с некоторого момента начинает разряжаться через управляющий электрод, запуская тиристор без нажатия кнопки.
Более надежная схема пробника изображена на рис.4.
http://radioamator.ru/img/SHEMI/NACHINAYCHIM/Tiristor/Tiristor4.gif
Если при включении питания наблюдается свечение HL1, то кнопкой SB2 кратковременно закорачивается цепь питания тиристора VSx. Погасание HL1 при отпущенной кнопке SB2 свидетельствует о выключении VSx. Если же тиристор не выключился, то он неисправен. Нажатием кнопки SB1 открывается тиристор. Свечение HL1 в этом случае свидетельствует об исправности VSx.
Резистор R4 должен быть присоединен непосредственно к контактам Х1, чтобы исключить влияние наводок на провода, соединяющие SB1 и Х1. Резистор R1 ограничивает ток запуска, а также защищает VSx в случае пробоя конденсатора С1, резистор R2 служит для разряда С1. Его величина — 3. 10 кОм.
Похожая схема пробника для контроля тиристоров и симисторов показана на рис.5.

В случае симисторов имеется возможность их проверки в обоих направлениях с помощью переключения полярностей в точках А и УЭ, осуществляемого переключателями S1 и S2.
Проверяемый тиристор подключается к клеммам «Анод» (А), «Управляющий электрод» (УЭ) и «Катод» (К). При исправном тиристоре
ни один из светодиодов HL1, HL2 гореть не должен. После нажатия кнопки SB1 тиристор включается при соответствующей полярности напряжения на аноде, и, в зависимости от направления тока, начинает светиться HL1 или HL2. Светодиод должен продолжать гореть и после отпускания кнопки SB1. Через балластный резистор R3 течет ток порядка 125 мА, Выключается тиристор с помощью кнопки SB2.
Контрольное двухполярное напряжение можно получить, например, от двух батареек по 4,5 В. Оно невелико и не может повредить проверяемый тиристор, если он неправильно подключен. Поэтому данный тестер можно использовать для идентификации выводов неизвестных тиристоров и симисторов.
Схема более сложного прибора приведена на рис.6.

Этот прибор позволяет проверять тиристоры и симисторы при разной полярности управляющего напряжения и при изменении тока управления.
Трансформатор можно использовать любой подходящий со вторичной обмоткой 2×9 В и током не менее 0,2. 0,3 А. Конденсаторы СЗ, С4, С9, С10 — керамические, остальные — электролитические. Диодный мост VD1 —любой, на напряжение не менее 50 В и ток 1 А. Диоды VD2 и VD3 — выпрямительные, на ток не менее 0,3 А и обратное напряжение не менее 25 В. Аналогами микросхем стабилизаторов являются: 7805 — КР142ЕН5(А, В), 7905 — КР1162ЕН5(А, Б), КР1179ЕН05. Сигнальная лампочка HL1 — МН13,5 Вх0,16 А, сигнальная автомобильная или аналогичная.
При проверке тиристора или симистора вначале переключателем SA2 («Ток управления») задается необходимый ток управляющего электрода. Это также позволяет подбирать тиристоры (симисторы) по минимальному току управления. Переключатель SA3 («Напряжение») ставится в положение «Прямое», SA4 (‘Упр. напряжение») — в положение «+». Тиристор подключается к прибору, и включается питание тумблером SA1 («Сеть»). Сигнальная лампочка HL1 гореть не должна. Нажимается кнопка SB2 («Пуск») — лампочка HL1 должна загореться и продолжать гореть при ее отпускании. Теперь нажимается кнопка SB1 («Сброс»)—лампочка HL1 должна погаснуть и не должна загореться при отпускании данной кнопки.
Переключатель SA3 попеременно устанавливается в оба положения, SA4 — в положения»+» и»-«, и в каждом сочетании положений данных переключателей нажимается кнопка SB2. В каждом из этих случаев индикаторная лампочка HL1 должна загораться только после нажатия кнопки «Пуск» и гаснуть при нажатии кнопки «Сброс».
В некоторых случаях желательно производить не только контроль исправности, но и отбор тиристоров по параметрам. Изготовление такого испытательного прибора осложняется тем, что для измерения напряжения включения (Uвкл)на анод и катод проверяемого тиристора необходимо подавать напряжение, в два раза превышающее максимальное прямое напряжение (Unp.макс) на закрытом тиристоре, при котором исключено его самопроизвольное включение. Параметр Uпр.макс. например, у тиристоров КУ202Н, М составляет 480 В. Поэтому источник питания должен иметь на выходе напряжение около 1000 В. Учитывая, что это напряжение необходимо регулировать, такие проверки параметров требуют осторожности и внимательности, хорошей изоляции органов регулировки и соответствующего выполнения высоковольтных цепей. Если параметр Uвкл для силовых тиристоров со значением Uпр.макс, превышающим 240 В, не измерять, выходное напряжение источника питания можно снизить до 300. 400 В, что менее опасно.
Схема прибора представлена на рис.7.

Переключателем SA1 ступенчато устанавливают напряжение между анодом и катодом проверяемого тиристора VSx с дискретностью 50 В. Плавная регулировка в пределах поддиапазона производится резистором R16. Переключателем SA8.3 выбирают род тока (постоянный или переменный). Остальные контактные группы переключателя SA8 коммутируют измерительные головки РА1 . РА4.
Для упрощения коммутации приборы РА1 . РА4 можно включить по схеме, изображенной на рис.8.

Стенд проверки тиристоров
«Крона–902.01», «Крона-902.02», «Крона-902.03»

Переносной стенд используется для проверки тиристоров (симметричных, асимметричных, лавинных, запираемых, быстродействующих), оптотиристоров, неуправляемых вентилей, а также силовых модулей (диодных и тиристорных) и других силовых полупроводниковых приборов (СПП) в соответствии с ГОСТ 24461-80.

Стенды серии «Крона-902» позволяют проверять основные электрические параметры СПП при нормальной температуре, а совместно со блоком «Крона-904» (обеспечивающим предварительную токовую электротермотренировку СПП) — и в нагретом состоянии.

Необходимость применения стендов, обусловлена деградацией силовых полупроводниковых приборов в ходе их эксплуатации, а именно — нестабильность и снижение класса по обратному напряжению, а также по напряжению в закрытом состоянии. Это приводит к значительному снижению эксплуатационной надежности тиристоров, выходу их из строя (пробою) и последующему отказу тиристорных преобразователей. Для предотвращения таких отказов, необходимо оперативное обнаружение тиристоров с выраженной деградацией параметров и их замена.

Стенд позволяет определять класс прибора, обеспечивая подачу на проверяемый СПП повторяющееся прямое или обратное импульсное напряжение (синусоидальной однополупериодной формы длительностью 10 мс, частотой 50 Гц и плавно регулируемой амплитудой), постоянный ток управления. При этом осуществляется контроль повторяющегося импульсного тока в закрытом состоянии, обратного тока и постоянного напряжения управления.

В стенде предусмотрена защита от превышения по току и напряжению.

Прибор «Крона-902.02» внесен в Госреестр средств измерений под номером 71722-18. (Другие исполнения также могут быть внесены в Госреестр СИ при условии финансирования со стороны Заказчика.)

Стенды серии «Крона-902» и «Крона-904» используются на предприятиях по производству электрической и тепловой энергии, а также в ремонтных локомотивных депо РЖД и метрополитена (для ремонта подвижного состава, а также ремонтного оборудования — сварочных аппаратов), и на предприятиях других отраслей.

Стенд может использоваться во исполнение поручений Циркуляра ОАО «РусГидро» Ц-02-2014(САУ) «О выходе из строя силовых тиристоров систем возбуждения», в рамках обеспечения эксплуатационного персонала ГЭС устройствами контроля силовых полупроводниковых тиристоров для проведения в объёмах работ по профилактическому восстановлению систем возбуждения гидрогенераторов проверок параметров силовых тиристоров систем возбуждения.

Стенд может использоваться для определения состояния диодов и тиристоров преобразовательных агрегатов тяговых подстанций, перед вводом преобразователей в эксплуатацию, и периодически при плановых ремонтах, согласно инструкции ЦЭ-936 («Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций электрифицированных железных дорог») и ЦЭ-39 («Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций, пунктов питания и секционирования электрифицированных железных дорог»).

Устройство для проверки тиристоров

Очень часто в конструкциях домашних мастеров находят применение ППП с двумя устойчивыми состояниями — тиристоры, которые имеют три и более р—дг-пе- реходов и могут переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. В зависимости от вида вольт-амперной характеристики и способа управления тиристоры подразделяются на динисторы, триодные тиристоры, не проводящие в обратном направлении, на тиристоры запираемые, симметричные и оптронные.

Для того чтобы быть уверенным, что в создаваемую конструкцию ставится заведомо исправный тиристор, его необходимо проверить. Исправность и работоспособность тиристоров наиболее просто можно проверить с помощью самодельного устройства, принципиальная электрическая схема которого приведена на рис. 1.19. Устройство включает в свой состав входные и выходные цепи, сетевой понижающий трансформатор питания 77, выпрямитель и индикаторное устройство, работает от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц и подключается к ней с помощью электрического соединителя XI. На входе пробника установлен плавкий предохранитель Z 7 /, защищающий электрические цепи устройства от перегрузок и коротких замыканий. >

Конденсатор С/, установленный на входе, является фильтром, он защищает от электромагнитных помех, проникающих в питающую сеть переменного тока.

Рис. 1.19. Схема устройства для проверки тиристоров.

Сетевой понижающий трансформатор 77 изготавливается на броневом шихтованном магнитопроводе типа Ш из электротехнической стали толщиной 0,25—0,35 мм марки 3312 или 3314. Активная площадь сечения стали основного стержня трансформатора 77 должна быть не менее 4—4,5 см 2 . В качестве понижающего трансформатора может быть применен унифицированный выходной трансформатор кадровой развертки телевизоров ТВК- 110Л1. При номинальном напряжении питающей сети 220 В на его вторичной обмотке будет действовать переменное напряжение порядка 25 В. При самодельном изготовлении трансформатора первичная обмотка содержит 2200 витков обмоточного провода марки ПЭВ-2 диаметром 0,2 мм, а вторичная обмотка — 250 витков провода марки ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм. Сопротивление постоянному току первичной обмотки равно 255 Ом, вторичной обмотки — 2,8 Ом. Сетевой трансформатор обеспечивает не только понижение напряжения на выходе (за счет трансформации), но и полную гальваническую развязку вторичных цепей устройства и проверяемого тиристора от высокого напряжения сети переменного тока.

Переменное пониженное напряжение со вторичной обмотки подается на приборный контактный зажим Х2 и на выпрямительный диод VD1 и далее через резистор R2 и переключатель S2 на второй приборный контакт ХЗ. К выводу 4 трансформатора подключены резистор RI большой мощности и две индикаторные лампочки через цепочки, состоящие из резисторов и выпрямительных диодов VD2 и VD3.

К контакту Х2 всегда подключается вывод анода тиристора, к контакту ХЗ — управляющий электрод тиристора и к контакту ХЗ — катод тиристора. При нажатой кнопке, переключателя SI на управляющий электрод тиристора поступают положительные полупериоды переменного напряжения. Если подключенный к контактным зажимам Х2—Х4 тиристор исправен, то он откроется и загорится индикаторная лампочка HI. В случае загорания лампы до замыкания контактов переключателя S2 и при подключенном тиристоре последний пропускает ток без включения управляющего электрода, а это значит, что тиристор неисправен. В таком тиристоре, видимо, присутствует короткое замыкание в цепи его управляющего электрода. Если одновременно зажигаются обе лампочки HI и #2, то это означает, что проверяемый тиристор пробит и восстановлению не подлежит. Но существует еще одна неисправность тиристора: когда устройство не реагирует на замыкание контактов переключателя S2, что свидетельствует о внутреннем обрыве в тиристоре.

При изготовлении этого устройства необходимо обратить внимание на мощность рассеяния резисторов /?/, R3 и R4. Подбор сопротивления и мощности резисторов можно осуществить методом их параллельного включения соответствующих типономиналов.

В устройстве для проверки тиристоров применяются следующие комплектующие ЭРЭ: сетевой понижающий трансформатор питания 77 самодельной конструкции с одной катушкой; проверяемый тиристор VS/; выпрямительные диоды vd1 типа Д226Д, vd2 — Д226Д, vd3 — Д226Д; индикаторные лампочки hi и н2 типа МН-6,3-0,3 А; конденсатор С/ типа МБМ-П-500В-0.1 мкФ; резисторы ri типа С5- 35В-7,5Вт-150 Ом, r2 — ВСа-0,5-100 Ом, r3 — С5-35В-7,5Вт-75 Ом, r4 — С5-35В-7,5Вт-75 Ом; плавкий предохранитель ft с держателем типа ПМ-1-1 А; электрические соединители x/ типа «вилка», х2—х4 типа КМЗ-1 приборные разборные; переключатели si типа П1Т-1-1, s2 — км-1-1.

Изготавливается устройство в пластмассовом корпусе, верхняя крышка которого является основной панелью, где размещаются контактные гнезда Х2—Х4_У предохранитель F1, переключатели S1 и S2 и индикаторные лампочки HI и Н2.

Сидоров И. Н. С34 Самодельные электронные устройства для дома: Справочник домашнего мастера.— СПб.: Лениздат, 1996.- 352 е.. ил.