Глава 24. Тиристоры

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Перечислить типы тиристоров.

• Описать, как работают в цепи кремниевый управляемый вентиль (КУВ), двунаправленный триодный тиристор (ТРИАК) и двунаправленный диодный тиристор (ДИАК).

• Перечислить цепи, в которых применяются различные типы тиристоров.

• Перечислить корпуса, используемые для тиристоров различных типов.

• Проверить тиристоры с помощью омметра.

Тиристоры — это обширный класс полупроводниковых приборов, используемых для электронного переключения. Они являются полупроводниковыми устройствами с двумя устойчивыми состояниями, имеющие три или более переходов. Тиристоры охвачены внутренней положительной обратной связью, позволяющей получить увеличение амплитуды выходного сигнала путем подачи части выходного напряжения на вход.

Тиристоры широко используются для регулирования мощностью постоянного и переменного тока. Они используются для включения и выключения мощности, подаваемой в нагрузку, а также для регулирования величиной этой мощности, например для управления освещенностью или скоростью вращения двигателя.

24-1. КРЕМНИЕВЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЕНТИЛИ

Кремниевые управляемые вентили являются хорошо известным типом тиристоров и обычно называются КУВ. Они имеют три вывода (анод, катод и управляющий электрод) и используются, главным образом, как переключатели. КУВ по существу являются выпрямителями, так как они управляют током только в одном направлении. Преимущество КУВ перед мощными транзисторами в том, что они могут управлять большими токами во внешней цепи с помощью небольшого управляющего сигнала. КУВ пропускает ток после прекращения действия управляющего сигнала. Если величина тока падает до нуля, КУВ закрывается, и необходимо подать новый управляющий сигнал для возвращения его в открытое состояние. Мощному транзистору требуется для управления током такой же величины управляющий сигнал в десять раз больший, чем необходим КУВ.

КУВ — это твердотельное устройство, изготовленное из кремния диффузионным или диффузионно-сплавным методом (см. главу 20) и состоящее из четырех полупроводниковых слоев n-типа и р-типа, расположенных поочередно. На рис. 24-1 показана упрощенная схема КУВ. Четыре слоя прилегают друг к другу, образуя три р-n-перехода. Выводы подсоединены только к трем слоям и образуют анод, катод и управляющий электрод.

Рис. 24-1. Упрощенная схема КУВ.

На рис. 24-2 показаны четыре слоя, разделенные на два трехслойных устройства. Это транзисторы типа р-n-р и n-р-n, соединенные между собой так, чтобы образовать пару с положительной обратной связью.

Рис. 24-2. Эквивалентная схема КУВ.

На рис. 24-3 показано схематическое изображение этих транзисторов: анод должен иметь положительный потенциал по отношению к катоду, а управляющий электрод — оставаться свободным, n-р-n транзистор не пропускает ток, поскольку на его эмиттерный переход не подано напряжение прямого смещения (обеспечиваемое коллектором р-n-р транзистора или управляющим сигналом). А поскольку n-p-n транзистор не пропускает ток, р-n-р транзистор также заперт (так как коллектор n-р-n транзистора обеспечивает смещение на базе р-n-р транзистора). При этих условиях ток не течет от катода к аноду.

Рис. 24-3. Схематическое представление эквивалентной схемы КУВ.

Если на управляющий электрод подать положительное напряжение по отношению к катоду, эмиттерный переход n-р-n транзистора будет смещен в прямом направлении, и n-р-n транзистор откроется, потечет ток базы р-n-р транзистора и откроет его. Коллекторный ток р-n-р транзистора является током базы n-р-n транзистора. Оба транзистора будут поддерживать друг друга в проводящем состоянии, позволяя току течь непрерывно от катода к аноду. Процесс будет происходить даже в том случае, если управляющее напряжение приложено на короткий момент времени.

Кратковременная подача управляющего напряжения переключает цепь в проводящее состояние, и она продолжает работать при отключенном управляющем напряжении. Ток анода ограничен только внешней цепью. Для переключения КУВ в непроводящее состояние необходимо уменьшить напряжение анод-катод до нуля. Это обеспечит запирание обоих транзисторов, и они останутся запертыми до тех пор, пока опять не будет подано управляющее напряжение.

КУВ включается положительным управляющим напряжением и выключается уменьшением напряжения анод-катод до нуля. Когда КУВ включен и проводит ток от катода к аноду, его проводимость в прямом направлении достаточно велика. Если изменить полярность напряжения катод-анод, через цепь, проводимость которой резко уменьшится, будет течь только маленький ток утечки.

На рис. 24-4 показано схематическое обозначение КУВ. Оно представляет собой обозначение диода, к которому подсоединен управляющий электрод. Выводы обычно обозначаются буквами К (катод), А (анод) и У (управляющий электрод).

Рис. 24-4. Схематическое обозначение КУВ.

На рис. 24-5 показаны несколько корпусов КУВ.

Рис. 24-5. Наиболее распространенные корпуса КУВ.

Правильно смещенный КУВ показан на рис. 24-6.

Рис. 24-6. Правильно смещенный КУВ.

Переключатель используется для подачи и снятия управляющего напряжения. Резистор R_C используется для ограничения тока управляющего электрода. Напряжение между анодом и катодом обеспечивается источником переменного напряжения. Последовательно включенный резистор (R_L) используется для ограничения тока анод-катод во включенном состоянии. Без резистора R_L через КУВ может течь слишком большой ток, способный повредить его.

КУВ используются, главным образом, для управления подачей мощности постоянного и переменного тока на различные типы нагрузок, а также в качестве переключателей для включения и выключения цепей. Они также могут быть использованы для плавной регулировки мощности, подаваемой на нагрузку. При использовании КУВ, малый ток управляющего электрода может управлять большим током нагрузки.

Когда КУВ используется в цепи постоянного тока, не существует простого метода его выключения без снятия напряжения с нагрузки. Эту проблему можно решить путем подсоединения выключателя параллельно КУВ (рис. 24-7).

Рис. 24-7. Выключение питания в цепи постоянного тока.

Когда переключатель S₂ включен, он закорачивает КУВ. Это уменьшает напряжение между анодом и катодом до нуля, прямой ток падает, и КУВ выключается.

Когда КУВ используется в цепи переменного тока, он проводит ток только в течение половины каждого периода переменного тока, когда потенциал анода положителен по отношению к катоду. Когда управляющий ток приложен к электроду постоянно, КУВ проводит постоянно. Если управляющий ток электрода отсутствует в течение половины периода, КУВ выключается и остается выключенным до тех пор, пока на управляющий электрод ток не будет подан снова. Необходимо отметить, что при этом на нагрузку подается только половина мощности. КУВ можно использовать для управления током в течение обоих полупериодов каждого цикла, если выпрямить переменный управляющий ток перед подачей на КУВ.

На рис. 24-8 показана простая однополупериодная регулирующая цепь. Цепь обеспечивает фазовый сдвиг напряжения, подаваемого на анод, на угол от нуля до 90 градусов. Диод D₁ блокирует подачу на управляющий электрод напряжения обратной полярности в течение отрицательного полупериода напряжения, приложенного к аноду.

Рис. 24-8. Однополупериодная цепь управления.

24-1. Вопросы

1. Почему для переключения лучше использовать КУВ, чем транзистор?

2. Опишите, как устроен КУВ.

3. Объясните, как работает КУВ.

4. Нарисуйте схематическое обозначение КУВ и обозначьте его электроды.

5. Для чего применяется КУВ?

24-2. ТРИАКИ

Триак — это двунаправленный триодный тиристор[3]. Триаки имеют такие же переключательные характеристики как и КУВ, но проводят переменный ток в обоих направлениях. Триак эквивалентен двум КУВ, включенным встречно-параллельно (рис. 24-9).

Рис. 24-9. Эквивалентная схема триака.

Так как триак может управлять током, текущим в любом направлении, он широко используется для управления подачей переменного тока на различные типы нагрузок.

Триак включается подачей тока на управляющий электрод и выключается уменьшением рабочего тока до величины, меньшей уровня удержания его в проводящем состоянии, рассчитан на пропускание прямого и обратного тока.

На рис. 24–10 показана упрощенная схема триака.

Рис. 24–10. Упрощенная схема конструкции триака.

Триак является четырехслойным устройством типа n-р-n-р, соединенным параллельно с устройством типа р-n-р-n, и рассчитанным на управление током, текущим через управляющий электрод. Выводы входа и выхода обозначаются МТ1 и МТ2. Эти выводы соединены с р-n-переходами на противоположных концах устройства. Вывод МТ1 представляет собой опорную точку, относительно которой измеряется напряжение и ток на управляющем электроде. Управляющий электрод (У) соединен с р-n-переходом на том же конце устройства, что и МТ1. От вывода МТ1 до вывода МТ2 сигнал должен пройти через последовательность слоев n-р-n-р или р-n-р-n.

Схематическое обозначение триака показано на рис. 24–11. Устройство состоит из двух диодов, включенных встречно-параллельно, и управляющего электрода. Выводы имеют обозначения МТ1, МТ2 и У (управляющий электрод). Некоторые корпуса триаков показаны на рис. 24–12.

Рис. 24–11. Схематическое обозначение триака.

Рис. 24–12. Наиболее распространенные типы корпусов триаков.

Триак может быть использован в качестве переключателя переменного тока (рис. 24–13) или для управления величиной мощности переменного тока, подаваемой в нагрузку (рис. 24–14).

Рис. 24–13. Переключатель переменного тока на основе триака.

Рис. 24–14. Цепь управления переменным током на основе триака.

Триаки передают в нагрузку полную мощность. При использовании триака для регулировки величины мощности, подаваемой в нагрузку, необходимо специальное запускающее устройство для обеспечения его работы в течение заданного промежутка времени. Запускающее устройство необходимо потому, что триак имеет не одинаковую чувствительность к токам управляющего электрода, текущим в противоположных направлениях.

Триаки обладают недостатками по сравнению с КУВ: они способны управлять токами не более 25 ампер, тогда как КУВ могут управлять токами до 1400 ампер. Максимально допустимое напряжение для триаков — 500 вольт, а для КУВ — 2600 вольт. Триаки рассчитаны на работу при низких частотах (от 50 до 400 герц), тогда как КУВ могут работать на частотах до 30000 герц. Триаки также имеют трудности при переключении мощности на индуктивной нагрузке.

24-2. Вопросы

1. Чем отличается триак от КУВ?

2. Опишите конструкцию триака.

3. Нарисуйте схематическое обозначение триака и обозначьте его выводы.

4. Где применяется триак?

5. Сравните преимущества и недостатки триаков и КУВ.

24-3. ДВУНАПРАВЛЕННЫЕ ДИОДНЫЕ ТИРИСТОРЫ

Двунаправленные симметричные диодные тиристоры (или двунаправленные запускающие диоды) используются в цепях с триаками, так как триаки имеют несимметричные запускающие характеристики, то есть, они имеют не одинаковую чувствительность к токам управляющего электрода, текущим в противоположных направлениях. Диак наиболее часто используется в качестве запускающего устройства.

Диак сконструирован так же, как и транзистор. Он имеет три слоя с чередующимися типами проводимости (рис. 24–15). Разница в конструкции состоит в том, что концентрация легирующих примесей у обоих переходов диака одинакова. Выводы подсоединены только к внешним слоям. Поскольку диаки имеют только два вывода, они выпускаются в таких же корпусах, что и диоды.

Рис. 24–15. Упрощенная схема диака.

Поскольку оба перехода легированы одинаково, диак влияет на ток, независимо от его направления. Один переход смещается в прямом направлении, а другой — в обратном. Обратно смещенный переход управляет током, текущим через диак. Работа диака аналогична работе двух диодов, включенных встречно-последовательно (рис. 24–16).

Рис. 24–16. Эквивалентная схема диака.

Диак остается закрытым до тех пор, пока приложенное в любом направлении напряжение не станет достаточным для того, чтобы пробить обратно смещенный переход. Это напряжение называется напряжением включения, и при этом напряжении диак включается и начинает проводить ток, который повышается до значения, ограниченного последовательно включенным резистором.

Схематическое обозначение диака показано на рис. 24–17. Оно аналогично обозначению триака. Разница лишь в том, что диак не имеет управляющего электрода.

Рис. 24–17. Схематическое обозначение диака.

Диаки чаще всего используются в качестве запускающего устройства для триаков. Каждый раз, когда диак включается, он позволяет току течь через управляющий электрод триака, тем самым включая триак. Диак используется вместе с триаком для обеспечения двухполупериодного управления сигналами переменного тока.

На рис. 24–18 показана двухполупериодная схема с фазовым управлением. Переменный резистор R₁ и конденсатор C₁ образуют фазосдвигающую цепь. Когда напряжение на конденсаторе C₁ достигает напряжения включения диака, он частично разряжается через диак и управляющий электрод триака. Этот разряд создает импульс, переключающий триак в проводящее состояние. Такая цепь полезна при управлении мощностью ламп, нагревателей и скоростью небольших электродвигателей.

Рис. 24–18. Двухполупериодная схема с фазовым управлением.

24-3. Вопросы

1. В каких цепях используются диаки?

2. Опишите конструкцию диака.

3. Объясните, как работает диак в цепи.

4. Нарисуйте схематическое обозначение диака.

5. Нарисуйте двухполупериодную схему с фазовым управлением, использующую диак и триак.

24-4. ПРОВЕРКА ТИРИСТОРОВ

Как и другие полупроводниковые устройства, тиристоры могут выходить из строя. Их можно проверить с помощью тестирующего оборудования или омметра. При использовании тестирующего оборудования для проверки тиристоров обратитесь к инструкции по эксплуатации прибора.

Омметр способен выявить большинство дефектных тиристоров, но не может обнаружить неисправности при работе в предельных режимах, а также использоваться при измерениях в чувствительных к напряжению устройствах.

Однако он может дать достаточную информацию о состоянии тиристора.

Проверка КУВ с помощью омметра

1. Определите полярность выводов омметра. Белый вывод является положительным, а черный — отрицательным.

2. Подсоедините выводы омметра — положительный к катоду, а отрицательный к аноду. Сопротивление должно превышать 1 МОм.

3. Поменяйте выводы местами — отрицательный к катоду, а положительный к аноду. Сопротивление опять должно превышать 1 МОм.

4. Оставив выводы омметра подсоединенными, как в п. З, соедините управляющий электрод с анодом. Сопротивление должно упасть до величины, меньшей 1 МОм.

5. Удалите соединение между управляющим электродом и анодом. Если используется низкоомная шкала омметра, то сопротивление должно оставаться низким. Если используется высокоомная шкала омметра, сопротивление должно вернуться к прежнему значению, превышающему 1 МОм. На высокоомных шкалах омметр не обеспечивает достаточного тока, чтобы удержать включенное состояние КУВ при удалении соединения.

6. Отсоедините выводы омметра от КУВ и повторите тест.

Так как некоторые омметры не дают однозначного результата на шаге 5, достаточно и шага 4.

Проверка триаков с помощью омметра

1. Определите полярность выводов омметра.

2. Соедините положительный вывод омметра с выводом МТ1, а отрицательный с выводом МТ2. Сопротивление должно быть высоким.

3. Оставив выводы омметра подсоединенными, как в п. 2, соедините управляющий электрод с МТ1. Сопротивление должно упасть.

4. Удалите соединение управляющего электрода с МТ1. Сопротивление должно остаться низким. Омметр может не обеспечить достаточного тока для удержания триака в открытом состоянии, если управляющий электрод требует большого тока.

5. Отсоедините выводы омметра и соедините их так, как указано в п. 2. Сопротивление опять должно быть высоким.

6. Соедините управляющий электрод с МТ2. Сопротивление должно упасть.

7. Удалите соединение управляющего электрода с МТ2. Сопротивление должно остаться низким.

8. Отсоедините выводы омметра и поменяйте их местами — отрицательный вывод соедините с МТ1, а положительный — с МТ2. Сопротивление должно быть высоким.

9. Соедините управляющий электрод с МТ1. Сопротивление должно упасть.

10. Удалите соединение управляющего электрода с МТ1. Сопротивление должно остаться низким.

11. Отсоедините выводы омметра и снова подсоедините их в такой же конфигурации. Сопротивление опять должно быть высоким.

12. Соедините управляющий электрод с МТ2. Сопротивление должно упасть.

13. Удалите соединение управляющего электрода с МТ2. Сопротивление должно остаться низким.

14. Отсоедините выводы омметра и снова подсоедините их. Сопротивление должно быть высоким.

Проверка диаков с помощью омметра

При проверке диаков с помощью омметра низкое сопротивление в любом направлении указывает на то, что устройство не открыто (неисправно), однако это не свидетельствует о том, что устройство закорочено. Дальнейшая проверка диака требует специальной цепи для проверки напряжения на его выводах (рис. 24–19).

Рис. 24–19.Динамическая проверка диака.

24-4. Вопросы

1. Опишите установку переключателей и показания прибора при проверке КУВ с помощью прибора для проверки транзисторов. (Руководствуйтесь инструкцией по эксплуатации).

2. Опишите установку переключателей и показания прибора при проверке триака с помощью прибора для проверки транзисторов. (Руководствуйтесь инструкцией по эксплуатации).

3. Опишите процедуру проверки КУВ с помощью омметра.

4. Опишите процедуру проверки триака с помощью омметра.

5. Опишите процедуру проверки диака с помощью омметра.

РЕЗЮМЕ

• К тиристорам относятся КУВ (кремниевые управляемые вентили), триаки и диаки.

• КУВ управляют током, текущим в одном направлении, с помощью положительного сигнала на управляющем электроде.

• КУВ запираются при уменьшении напряжения анод-катод до нуля.

• КУВ могут быть использованы для управления током в цепях постоянного и переменного тока.

• Схематическим обозначением КУВ является:

• Триаки — это двунаправленные триодные тиристоры.

• Триаки могут управлять током, текущим в любом направлении, с помощью либо положительного, либо отрицательного сигнала на управляющем электроде.

• Схематическим обозначением триака является:

• КУВ могут управлять токами до 1400 ампер, а триаки — только до 25 ампер.

• КУВ имеют предельные напряжения до 2600 вольт, а триаки — только до 500 вольт.

• КУВ могут работать на частотах до 30000 герц, а триаки — на частотах до 400 герц.

• Поскольку триаки имеют несимметричные запускающие характеристики, для их запуска требуются диаки.

• Диаки — это двунаправленные запускающие диоды.

• Схематическим обозначением диака является:

• Диаки используются главным образом, как запускающие устройства для триаков.

• Тиристоры могут быть проверены с помощью специальных приборов для проверки транзисторов или с помощью омметров.

Глава 24. САМОПРОВЕРКА

1. В чем различие между диодом и КУВ?

2. Как влияет приложенное к аноду напряжение на ток, протекающий через открытый КУВ?

3. Как влияет сопротивление нагрузки на ток, текущий через КУВ?

4. Опишите процесс проверки КУВ.

5. Почему диак используется в цепи управляющего электрода триака?