Тиристоры (SCR)

Диммер — это разновидность осветительных приборов, используемых для изменения светового потока источника электрического света и регулировки освещенности. Он широко используется в домашнем освещении, театральных сценах, гостиничных номерах, площадках и выставочных залах.

В принципе, все диммеры получают разную интенсивность светового потока за счет изменения входного тока электрического источника света. К методам управления относятся изменение амплитуды напряжения, подаваемого на нагрузку, и изменение времени, в течение которого ток протекает через нагрузку. , Первое непосредственно изменяет действующее значение тока, а второе достигается за счет управления временем и числом проводимости тока в пределах полуволны переменного тока.

1. Классификация диммеров

Существует множество типов диммеров. По характеру источника питания их можно разделить на диммирование по переменному току и диммирование по постоянному току. По принципу схемы управления их можно разделить на диммирование по амплитуде и диммирование по фазе. По типам коммутационных устройств их можно разделить на пассивные диммирующие. Световое и активное затемнение можно разделить на сегментированное затемнение и бесступенчатое затемнение в зависимости от уровня изменения освещенности. По типу нагрузки его можно разделить на прямое диммирование источников электрического света и непрямое диммирование контроллеров освещения. Подробное введение в классификацию диммеров.

1.1.1 Диммирование с помощью переменного резистора

Диммирование с переменным резистором – самый ранний метод диммирования. Подключив последовательно мощный переменный резистор в цепь освещения лампы накаливания, регулировкой переменного резистора можно изменить величину тока, протекающего через лампу накаливания, тем самым изменив яркость света. Этот метод диммирования можно использовать как в цепях питания переменного, так и постоянного тока, и он не будет вызывать радиопомех. Однако из-за высокого энергопотребления и сильного тепловыделения переменного резистора эффективность системы очень низкая, и ее обычно используют только для демонстрации принципа.

1.1.2 Диммирование автоматического регулятора напряжения

В цепь переменного тока последовательно включают авторегулятор напряжения, а амплитуду напряжения, подаваемого на лампу накаливания, изменяют регулировкой положения щетки, тем самым изменяя яркость света. Хотя автоматический регулятор напряжения громоздкий и имеет шум промышленной частоты, из-за высокой эффективности системы увеличение или уменьшение нагрузки не влияет на уровень диммирования, и в первые дни он использовался в больших количествах для диммирования сцены.

1.1.3 Схема диодного затемнения

Эта схема управляется трехступенчатым переключателем, который используется для подачи полного напряжения, полуволнового питания и управления отключением соответственно. Диод здесь можно рассматривать как односторонний кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), который работает в проводящем состоянии. Этот метод диммирования является переходным типом от амплитудного диммирования к фазовому диммированию. Поскольку полупериодное напряжение питания лампы накаливания является фиксированным значением напряжения и не может регулироваться произвольно, а лампа накаливания будет слегка мерцать под полупериодным напряжением, практическая реализация этой схемы не очень хороша.

1.2 Фазовое затемнение

Диммирование с фазовой модуляцией заключается в изменении формы синусоидального сигнала путем регулировки угла проводимости каждой полуволны переменного тока, тем самым изменяя действующее значение переменного тока, чтобы достичь цели диммирования, также известного как «режущая волна». затемнение. Диммирование с фазовой модуляцией включает два типа: управление фазой по переднему фронту и управление фазой по заднему фронту (также называемое передним и задним вырезом). Принцип работы полностью отличается от принципа диммирования с амплитудной модуляцией.

1.2.1 Регулятор фазы переднего фронта

Передовые диммеры обладают такими преимуществами, как высокая точность регулировки, высокая эффективность, небольшой размер, малый вес и простота эксплуатации на большом расстоянии. Они доминируют на рынке. Диммеры большинства производителей относятся к этому типу. Передовые диммеры с фазовым управлением обычно используют тиристоры в качестве переключающих устройств, поэтому их также называют тиристорными диммерами.

Хотя тиристорный диммер имеет простую схему и низкую стоимость, он будет создавать сильные радиопомехи при включении тиристора. Если не принять эффективных мер фильтрации, это будет препятствовать использованию многих электроприборов. Кроме того, тиристорный диммер имеет очень крутой фронт при включении, и осциллограмма напряжения резко скачет от нулевого напряжения. Это мало влияет на резистивную нагрузку, подобную лампе накаливания, но не подходит для диммирования газоразрядного источника света. . Поскольку большинству газоразрядных источников света для совместной работы требуется цепь возбуждения, а цепь возбуждения представляет собой емкостную нагрузку, скачок напряжения, создаваемый тиристорным диммером, будет генерировать большой импульсный ток на емкостной нагрузке, делая работу цепи нестабильной, и даже вызывает перегорание цепи привода.

1.2.2 Регулятор фазы заднего фронта

В дополнение к преимуществам диммера SCR, диммер с управлением фазой заднего фронта имеет важную функцию, которая может адаптироваться к потребностям в диммировании газоразрядной лампы. С ускоренным отказом от использования ламп накаливания во всем мире требования пользователей к диммерным источникам света, таким как электронные энергосберегающие лампы с емкостным импедансом, постепенно возрастали, и диммеры с задним фронтом света только что адаптировались к этим изменениям рынка. Диммер с управлением фазой заднего фронта обычно использует MOSFET в качестве переключающего устройства, поэтому его также называют диммером MOSFET.

Диммер PWM впервые был использован в источниках питания постоянного тока для диммирования линейных нагрузок, таких как лампы накаливания с вольфрамовой нитью. Он использует сигнал ШИМ для управления включением и выключением переключающего устройства и регулирует ток, протекающий через лампу, путем изменения рабочего цикла. Управление затемнением.

1.4 Синусоидальный диммер

Принцип синусоидального диммера чем-то похож на метод диммирования ШИМ. Выключатель питания, установленный в линии переменного тока, приводится в действие высокочастотным сигналом. Выключатель питания включается несколько раз в каждой полуволне синусоиды, а время проводимости является переменным. Напряжение промышленной частоты на обоих концах нагрузки отсекается высокочастотным сигналом, а ток, протекающий через нагрузку, можно регулировать, изменяя частоту высокочастотного сигнала, тем самым реализуя управление диммированием. Синусоидальные диммеры обычно используют IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) в качестве переключающих устройств, поэтому их также называют диммерами IGBT.

Синусоидальный диммер не изменяет характеристики формы синусоидальной волны и оказывает небольшое влияние на рабочее состояние нагрузки, а генерируемые гармонические помехи невелики, что делает его пригодным для использования с нелинейными нагрузками. И это может уменьшить потери в линии и повысить эффективность, уменьшить тепловыделение коммутационных устройств и значительно улучшить применимость и надежность схемы.

Синусоидальный диммер позволяет избежать дефекта «прерывания» тиристорного диммера. Он не имеет ограничения минимальной мощности нагрузки и может адаптироваться к различным типам нагрузок, таким как лампы накаливания, энергосберегающие лампы, балласты люминесцентных ламп и двигатели вентиляторов. Это идеальный диммер. Однако, поскольку для IGBT требуются специальные технологии привода и защиты, схема усложняется, а стоимость высока. В настоящее время он используется только в особых случаях, таких как затемнение сцены, но по-прежнему является основным направлением будущего развития.

2. Анализ схемы диммирования симистора

Среди широко используемых диммеров для ламп накаливания наиболее широкое применение получили симисторы. Этот диммер включается и выключается один раз в течение каждого периода полуволны переменного тока. Когда необходимо уменьшить яркость лампы накаливания, тиристор отключит часть переменного тока, чтобы уменьшить ток и достичь цели затемнения.

2.1 Состав схемы

Как только тиристор включается в проводящее состояние, он продолжает работать до тех пор, пока переменное напряжение не пересечет ноль. Тиристор отвечает за рабочий ток, протекающий через лампу накаливания. Поскольку значение сопротивления лампы накаливания очень низкое, когда она находится в холодном состоянии, и, учитывая пиковое значение переменного напряжения, чтобы избежать большого влияния тока при запуске, тиристор должен быть зарезервирован при выборе. большая текущая маржа.

Запускающий импульс триггерной цепи должен иметь достаточную амплитуду и ширину, чтобы тиристор полностью открылся. Чтобы гарантировать надежное срабатывание тиристора при различных условиях, напряжение срабатывания и ток, посылаемые схемой запуска, должны быть больше, чем у тиристора. Минимальное значение триггерного напряжения UGT и триггерного тока IGT, а также минимальная длительность триггерного импульса должны сохраняться до тех пор, пока анодный ток не превысит ток поддержания (т. е. ток удержания IL), в противном случае тринистор снова отключится. потому что он не полностью включен. Ширина триггерного импульса обычно составляет 20~50 мкс. Для больших индуктивных нагрузок длительность триггерного импульса должна быть увеличена, поскольку ток нарастает медленно. Как правило, оно составляет 300 мкс~1 мс, что эквивалентно фазовому углу 18° синусоидального сигнала частотой 50 Гц. Емкость C2 обычно составляет 22 нФ ~ 220 нФ.

В диммере это двунаправленный триггерный диод, который реализует функцию триггера, и обычно используются DB3 и другие типы. Есть также некоторые диммеры, в которых вместо триггерных диодов используются резисторы или неоновые лампы, но фактический эффект использования не идеален.

Защитный резистор R2 представляет собой защитный резистор, используемый для предотвращения повреждения полупроводниковых устройств, вызванного чрезмерным током, когда POT1 настроен на нулевое сопротивление. Если R2 слишком велико, диммируемый диапазон станет меньше, поэтому его следует выбрать соответствующим образом.

Резистор регулировки мощности R1 определяет минимальную мощность, на которую можно настроить лампу накаливания. Если R1 не подключен, лампа накаливания будет полностью гаснуть при установке POT1 на максимальное значение, что вызовет определенные неудобства в бытовых применениях. После подключения R1, когда POT1 настроен на максимальное значение, из-за эффекта параллельного шунтирования R1 все еще остается определенный ток для зарядки C2, так что можно регулировать минимальную мощность лампы накаливания. Если R1 заменить переменным резистором, то можно добиться более точной подстройки для обеспечения согласованности серийного производства. В то же время R1 также имеет функцию улучшения линейности потенциометра, делая изменение света более подходящим для светочувствительных характеристик человеческого глаза.

Потенциометры Диммеры с низким энергопотреблением обычно выбирают потенциометры с переключателями, которые можно подключить для отключения питания при диммировании до минимума. Такие потенциометры принято делить на нажимные (PUSH) и поворотные (ROTARY). Для диммеров с более высокой мощностью, поскольку ток через контакты переключателя слишком велик, потенциометр и переключатель обычно устанавливаются отдельно для экономии материальных затрат. Принимая во внимание требования к характеристике диммирования, обычно выбирают линейные потенциометры. Полоса сопротивления этого потенциометра равномерно распределена, а значение сопротивления на единицу длины одинаково, а значение сопротивления изменяется в линейной зависимости от расстояния скольжения или угла поворота.

Сеть фильтрации Поскольку изменение напряжения тринисторами больше не имеет синусоидальную форму, генерируется большое количество гармонических помех, которые серьезно загрязняют энергосистему, поэтому необходимо принять эффективные меры фильтрации, чтобы уменьшить гармоническое загрязнение. Сеть фильтров, образованная L1 и C1 на рисунке, используется для устранения помех, создаваемых тиристором во время работы, чтобы продукт соответствовал соответствующим требованиям электромагнитной совместимости и избегал воздействия на телевизоры, радиоприемники и другое оборудование.

Плавкий предохранитель Для мощных диммеров или диммеров, используемых для групповой установки, повышение внутренней температуры выше, чем обычно. Установите температурный предохранитель в цепи, чтобы отключить цепь при ненормальном повышении температуры, чтобы предотвратить несчастные случаи. происходить.

2.2 Буферная защита СЦР

Когда тиристор работает в цепи, его коммутационное состояние не завершается мгновенно. Эквивалентное сопротивление тиристора все еще очень велико, когда он только что включен. В это время, если ток быстро возрастет, это вызовет большие потери при включении; точно так же будет большой ток, когда тиристор близок к полному отключению. В это время, если напряжение на тиристоре быстро возрастет, также возникнут большие потери при выключении. Коммутационные потери приведут к увеличению тепловыделения тиристора, а в тяжелых случаях он сгорит в течение периода. Принятие соответствующих буферных мер для подавления скорости нарастания тока и напряжения может эффективно улучшить условия переключения тиристора.

Существует два типа демпфирующих цепей. Один из них заключается в подавлении скорости нарастания тока с помощью характеристики, согласно которой ток, протекающий через катушку индуктивности, не может внезапно измениться, а другой заключается в подавлении скорости нарастания напряжения с использованием характеристики, согласно которой напряжение на конденсаторе не может внезапно измениться.

Когда тиристор используется в мощной диммерной цепи, из-за повышенной индуктивности большого тока, протекающего через тиристор и лампочку, для обеспечения надежности цепи параллельно тиристору должна быть подключена цепочка демпфера RC для ограничения управляемость Скорость нарастания напряжения (dv/dt) на обоих концах кремния, когда он выключен. Конденсатор используется для ограничения значения dv/dt на симисторе, а резистор используется для ограничения тока разряда конденсатора при включении тиристора и ослабления затухающих колебаний между конденсатором и индуктивностью фильтра.

В вышеупомянутой сети фильтров индуктор L1 используется для подавления скорости нарастания тока dI/dt при включении тиристора, а конденсатор C и диод D образуют цепь поглощения выключения для подавления роста напряжения на клеммах. при выключении ГТО. Скорость dV/dt, где резистор R обеспечивает путь разряда для конденсатора C. Существует множество форм демпфирующих цепей, подходящих для разных устройств и разных цепей.

2.3 Гистерезис диммера SCR

Обычная тиристорная схема диммирования имеет феномен непостоянного включения и выключения питания. То есть при установке потенциометра на максимальное значение 500К лампа накаливания практически гаснет. Снова уменьшите потенциометр, лампа накаливания будет излучать свет только тогда, когда она отрегулирована ниже 400K. Мощность при установке потенциометра на минимальный угол больше, чем мощность в том же положении при включении питания, что характерно для обычных диммеров. Эффект гистерезиса. Причина эффекта гистерезиса заключается в том, что зарядный конденсатор частично разряжается при каждом срабатывании тиристора. Небольшой резистор, подключенный последовательно к триггерному диоду, может смягчить это явление. Более эффективным методом является использование схемы, показанной на рисунке выше, и использование C2 для запуска тиристора. Благодаря изолирующему эффекту R3 падение напряжения на C2 очень мало, в то время как на C3 напряжение на нем остается неизменным, что позволяет избежать эффекта гистерезиса.

2.4 Предельная минимальная нагрузка тиристорного диммера

При использовании тиристорного диммера при нагрузке меньше определенной мощности лампочка будет мерцать, что вызвано недостаточным минимальным током обслуживания тиристора. Поскольку минимальный ток удержания различных типов тиристоров неодинаков, производитель указывает применимый предел минимальной мощности нагрузки в описании продукта. На эту проблему необходимо обратить внимание при его использовании.

2.5 Мерцание лампы накаливания

Мы знаем, что размер зрачка человеческого глаза будет регулироваться при изменении внешней яркости для контроля интенсивности света, попадающего в глаз, но существует разница во времени примерно в 50–200 мс между скоростью регулировки и изменение сцены, и цель состоит в том, чтобы предотвратить быструю внешнюю яркость. Усталость глазных мышц, вызванная изменениями, эта характеристика человеческого глаза называется «постоянством зрения».

Лампа накаливания использует переменное напряжение 50 Гц. Поскольку положительная и отрицательная полуволны переменного тока заставят светиться лампу накаливания, лампа накаливания будет мерцать 100 раз в течение 1 с, то есть период мерцания составляет 10 мс, что меньше минимального зрения человеческого глаза. Временное время , а поскольку тепловая инерция вольфрамовой лампы относительно велика, человеческому глазу трудно почувствовать мерцание лампы накаливания.

При использовании симисторного диммера для управления лампой накаливания мы часто чувствуем легкое жужжание. Это неотъемлемая характеристика симисторного диммера. Причины этого включают следующие два аспекта:

2.6.1 Генерация фильтра

Качественный тиристорный диммер должен иметь на входе LC-фильтр. Его функция заключается в поглощении шума переключения тиристора, сглаживании колебаний напряжения, вызванных периодическим переключением, и предотвращении повреждения диммера внешним миром. Гармонические помехи.

Индуктор в LC-фильтре изготовлен из листа кремнистой стали или сердечника из железного порошка. Когда через него протекает большой ток частотой 100 Гц (в качестве примера возьмем источник питания 50 Гц), магнитный сердечник будет колебаться и издавать жужжащий звук. Особенно, когда лампочка настроена на максимальную яркость, ток 100 Гц находится на максимальном значении, а жужжание диммера более очевидно, что является неизбежной характеристикой схемы.

В нормальных условиях шум, издаваемый магнитным сердечником, находится в допустимом диапазоне. Если шум слишком велик, проблему можно решить, изменив материал магнитопровода или увеличив размер магнитопровода на этапе проектирования.

Другими словами, замена более мощного диммера обычно может устранить этот шум.

2.6.2 Колебание нити

Когда лампочка самая яркая, тиристор почти открыт в течение всего цикла напряжения, и выходной ток в основном непрерывен. В это время лампочка не гудит. Когда лампочка затемнена, тиристор переключается 100 раз в секунду (в качестве примера возьмем источник питания 50 Гц). Воздействие этого прерывистого тока на нить накала производит жужжащий звук. Особенно, когда яркость лампы составляет 50%~60%, напряжение на SCR мгновенно подскакивает от нуля до пикового значения синусоидального напряжения. В это время нить вибрирует больше всего и жужжащий звук самый громкий. Переход на лампочку с толстой нитью или лампочку с короткой нитью может уменьшить вибрацию нити накала и уменьшить шум.

светодиодные канделябры

солнечные фонари здесь, также продаются в магазине amazon store / Google shopping, которые являются известным рынком в США, приверженным индустрии домашнего освещения в течение 20 лет, LOHASLED, это бренд освещения, которому вы можете доверять

тиристоры

Тиристор — это общее название ряда высокоскоростных переключающих устройств, часто используемых для управления питанием переменного тока и переключения переменного/постоянного тока, включая симисторы и тиристоры (кремниевые управляемые выпрямители). SCR — очень распространенный тип тиристоров, и несколько примеров распространенных корпусов SCR показаны на рис. 6.0.1. Доступно множество типов, способных переключать нагрузки от нескольких ватт до десятков киловатт. Символ цепи SCR показан на рисунке 6.0.2. и предполагает, что SCR действует в основном как КРЕМНИЕВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ диод с обычными соединениями анода и катода, но с дополнительной клеммой CONTROL, называемой GATE. Отсюда и название «Кремниевый управляемый выпрямитель».

Триггерное напряжение, подаваемое на затвор, в то время как анод более положителен, чем катод, включает тринистор, позволяя току течь между анодом и катодом. Этот ток будет продолжать течь, даже если триггерное напряжение будет удалено, пока ток между анодом и катодом не упадет почти до нуля из-за внешних воздействий, таких как отключение цепи или форма волны переменного тока, проходящая через нулевое напряжение как часть его цикл.

Рис. 6.0.2 Типовой SCR
Символ конструкции и цепи

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)

SCR, в отличие от обычных двухслойных выпрямителей с PN-переходом, состоят из четырех слоев кремния в структуре PNPN, как видно на виде SCR в разрезе на рис. 6.0.2. Добавление соединения затвора к этой структуре позволяет переключать выпрямитель из непроводящего состояния «прямая блокировка» в низкоомное, «прямое проводящее» состояние (см. также рис. 6.0.3). Таким образом, небольшой ток, подаваемый на затвор, может включить гораздо больший ток (также при гораздо более высоком напряжении), протекающий между анодом и катодом. Как только SCR начинает работать, он ведет себя как обычный кремниевый выпрямитель; ток затвора может быть удален, и устройство останется в проводящем состоянии.

SCR приводится в действие путем подачи триггерного импульса на клемму затвора, в то время как основные клеммы анода и катода смещены в прямом направлении. Когда устройство смещено в обратном направлении, стробирующий импульс не действует. Чтобы выключить SCR, ток между анодом и катодом должен быть уменьшен ниже определенного критического значения «тока удержания» (близкого к нулю).

Обычно тиристоры применяются для переключения нагрузок большой мощности. Они являются переключающим элементом во многих бытовых диммерах, а также используются в качестве элементов управления в регулируемых или регулируемых источниках питания.

Рис. 6.0.3 Характеристики SCR

Характеристики тиристора

На рис. 6.0.3 показана типичная кривая характеристики SCR. Видно, что в области обратного запирания он ведет себя аналогично диоду, т.е. весь ток, за исключением небольшого тока утечки, блокируется до тех пор, пока не будет достигнута область обратного пробоя, после чего изоляция из-за обедненных слоев на переходах разрушается. В большинстве случаев обратный ток, протекающий в области пробоя, разрушил бы тринистор.

Однако, когда SCR смещен в прямом направлении, в отличие от обычного диода, ток не начинает течь, когда приложено чуть более 0.6 В, ток не течет, за исключением небольшого тока утечки. Это называется режимом прямой блокировки, который распространяется на сравнительно высокое напряжение, называемое «напряжение прямого отключения». SCR обычно работает при напряжениях, значительно меньших, чем прямое перенапряжение отключения, поскольку любое напряжение выше, чем прямое перенапряжение отключения, приведет к неконтролируемому срабатыванию SCR; Затем SCR внезапно проявляет очень низкое прямое сопротивление, позволяя протекать большому току. Этот ток «фиксируется» и будет продолжать течь до тех пор, пока либо напряжение на аноде и катоде не уменьшится до нуля, либо прямой ток не уменьшится до очень низкого значения, меньшего, чем «Ток удержания», показанный на рис. 6.0.3. . Однако прямой разрыв из-за проводимости может произойти, если тиристор используется для управления переменным напряжением (например, сетью или сетью) и возникает внезапный скачок напряжения, особенно если он совпадает с пиковым значением переменного тока (или близок к нему). Если тиристор случайно переключится в состояние прямого отключения, это может вызвать внезапный, но кратковременный скачок максимального тока, который может оказаться катастрофическим для других компонентов в цепи. По этой причине обычно обнаруживается, что тиристоры имеют какой-либо метод подавления выбросов, либо внутри конструкции тиристора, либо в виде внешних компонентов, обычно называемых «схемой снаббера».

Правильный способ включения тиристора заключается в подаче тока на затвор тиристора, когда он работает в «области прямой блокировки», затем тиристор «запускается», и его прямое сопротивление падает до очень низкого уровня. ценность. Это создает «запирающий ток», который из-за низкого прямого сопротивления тиристора в этом режиме позволяет очень большим (несколько ампер) токам течь в «прямопроводящей области» практически без изменения прямого напряжения (обратите внимание что характеристическая кривая после срабатывания тиристора практически вертикальна). В этой области ток будет протекать и может изменяться, но если прямой ток упадет ниже значения «тока удержания» или напряжение между анодом и катодом уменьшится почти до 0 В, устройство вернется в свою область прямой блокировки, эффективно поворачивая выпрямитель. выключен, пока он не сработает еще раз. Таким образом, использование затвора для запуска проводимости позволяет контролировать проводимость, что позволяет использовать SCR во многих системах управления переменным и постоянным током.

Рис. 6.0.4 SCR «Модель с двумя транзисторами»

Как работает SCR

Модель с двумя транзисторами SCR

Фактическую работу SCR можно описать, обратившись к рис. 6.0.4 (a) и (b), на которых показаны упрощенные схемы структуры SCR с помеченными P- и N-слоями и переходами. Чтобы понять работу SCR, четыре уровня SCR теоретически можно представить как небольшую схему, состоящую из двух транзисторов (один PNP и один NPN), как показано на рис. 6.0.4 (b). Обратите внимание, что слой P2 формирует как эмиттер Tr1, так и базу Tr2, а слой N1 формирует базу Tr1 и коллектор Tr2.

Состояние «Выкл.»

Ссылаясь на рис. 6.0.4 (c), без подачи сигнала затвора и затвора (g) с тем же потенциалом, что и катод (k), любое напряжение (меньшее, чем прямое перенапряжение отключения), приложенное между анодом (a ) и катод (k), так что анод положителен по отношению к катоду, не будет производить ток через SCR. На Tr2 (транзистор NPN) подается напряжение 0 В между базой и эмиттером, поэтому он не будет проводить ток, а поскольку напряжение на его коллекторе обеспечивает питание базы для Tr1 (транзистора PNP), его переход база/эмиттер будет смещен в обратном направлении. Таким образом, оба транзистора выключены, и между анодом и катодом тиристора не будет протекать никакой ток (кроме небольшого обратного тока утечки), и он работает в области прямой блокировки.

Запуск SCR

Когда тиристор работает в области прямой блокировки (см. характеристики тиристора на рис. 6.0.3), если затвор и, следовательно, основание Tr2, см. рис. 6.0.4(c), становится положительным по отношению к катоду ( также эмиттер Tr2) с помощью стробирующего импульса, так что небольшой ток, обычно от нескольких мкА до нескольких мА в зависимости от типа SCR, подается на базу Tr2, Tr2 включается, и напряжение на его коллекторе падает. Это приведет к протеканию тока через PNP-транзистор Tr1 и быстрому росту напряжения на коллекторе Tr1 и, следовательно, на базе Tr2. Переход базы-эмиттера Tr2 станет еще более смещенным в прямом направлении, быстро включив Tr1. Это увеличивает напряжение, подаваемое на базу Tr2, и поддерживает проводимость Tr2 и Tr1, даже если первоначальный стробирующий импульс или напряжение, которые запустили процесс включения, теперь удалены. Теперь между слоями анода P1 (a) и катода N2 (k) будет протекать большой ток.

Сопротивление между анодом и катодом падает почти до нуля, так что ток тиристора теперь ограничивается только сопротивлением любой цепи нагрузки. Описанное действие происходит очень быстро, так как включение Tr2 с помощью Tr1 является формой положительной обратной связи, когда коллектор каждого транзистора подает большие изменения тока на базу другого.

Поскольку коллектор Tr1 подключен к базе Tr2, действие включения Tr1 виртуально соединяет базу Tr2 (вывод затвора) с высоким положительным напряжением на аноде (a). Это гарантирует, что Tr2 и, следовательно, Tr1 останутся проводящими даже при снятии стробирующего импульса. Чтобы выключить транзисторы, напряжение на аноде (a) и катоде (k) должно либо поменять полярность, как это происходит в цепи переменного тока в то время, когда положительный полупериод волны переменного тока достигает 0 В, прежде чем стать отрицательным. на вторую половину своего цикла или, в цепи постоянного тока, ток, протекающий через тринистор, отключается. В любом из этих случаев ток, протекающий через SCR, будет снижен до очень низкого уровня, ниже уровня удерживающего тока (показанного на рис. 6.0.3), поэтому переходы база-эмиттер больше не имеют достаточного прямого напряжения для поддержания проводимости.

Рис. 6.0.5 Питание низковольтного тиристора

Демонстрация работы SCR

Поскольку тиристоры обычно используются для управления мощными высоковольтными нагрузками, это представляет значительный риск поражения электрическим током пользователей в любых экспериментальных или образовательных средах. Схемы, описанные на следующих веб-страницах Модуля 6, предназначены для демонстрации различных методов управления, используемых с тиристорами, использующими низкое напряжение (12 В)._RMS) переменного тока, как показано на рис. 6.0.5, вместо того, чтобы подвергать пользователя опасностям, связанным с использованием сетевого (линейного) напряжения. Обратите внимание, что схемы, показанные в этом модуле, предназначены только для демонстрации низкого напряжения, а не как рабочие схемы управления для сетевых (линейных) цепей. За реальными рабочими примерами следует обращаться к примечаниям по применению, подготовленным производителями SCR.

Участок схемы, содержащий тиристор (тиристор C106M) вместе с токоограничивающим резистором 33R и лампой 12 В 100 мА, построен на небольшом кусочке Veroboard (протоплата), который можно легко прикрепить к макетной плате с помощью Blu Tack. или аналогичный временный клей, позволяющий экспериментально создавать различные схемы привода на макетной плате. SCR питается переменным током через двухполюсный переключатель и развязывающий трансформатор 230–12 В (идеально подойдет небольшой медицинский развязывающий трансформатор) с предохранителем на 250 мА во вторичной цепи, все они размещены в коробке с двойной изоляцией.

Рис. 6.0.6 Цепи питания низковольтных тиристоров

Мостовой выпрямитель находится в отдельном изолированном корпусе с проволочным резистором 1K8, подключенным к выходу, чтобы обеспечить постоянную нагрузку. Это гарантирует, что выходные сигналы 12-вольтового двухполупериодного выпрямленного выхода могут быть надежно отображены на осциллографе. Эти отдельные схемы, показанные на рис. 6.0.6, имеют простую конструкцию и представляют собой полезный набор для демонстрации и экспериментов с различными типами работы SCR или источников питания при низком напряжении.

тиристоры

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 29 мая 2021 г.

Транзисторы — это крошечные электронные компоненты, которые изменили мир: вы найдете их во всем, от калькуляторов и компьютеров до телефонов, радиоприемников и слуховых аппаратов. Они удивительно универсальны, но это не значит, что они могут делать все. Хотя мы можем использовать их для включения и выключения слабых электрических токов (это основной принцип компьютерной памяти) и для преобразования малых токов в несколько большие (так работает усилитель), они не очень полезны, когда дело доходит до обработки. гораздо большие токи. Другим недостатком является то, что они полностью отключаются, как только отключается ток переключения, а это означает, что они не так полезны в таких устройствах, как сигнализация, где вы хотите, чтобы цепь срабатывала и оставалась включенной на неопределенный срок. Для таких работ мы можем обратиться к несколько похожему электронному компоненту, называемому тиристором, который имеет много общего с диодами, резисторами и транзисторами. Триристоры достаточно просты для понимания, хотя большинство объяснений, которые вы найдете в Интернете, излишне сложны и часто невероятно запутывают. Итак, это наша отправная точка: давайте посмотрим, сможем ли мы ясно и просто взглянуть на то, что такое тиристоры, как они работают и для чего мы можем их использовать!

Изображение: типичный тиристор немного похож на транзистор и работает схожим образом.

Содержание

Что такое тиристоры?

Во-первых, давайте разберемся с терминологией. Некоторые люди используют термин кремниевый выпрямитель (SCR) взаимозаменяемо с термином «тиристор». На самом деле выпрямитель с кремниевым управлением — это торговая марка, которую General Electric ввела для описания одного конкретного типа тиристоров, которые она производила. Существуют и другие виды тиристоров (в том числе так называемые диаки и симисторы, которые предназначены для работы с переменным током), поэтому эти термины не являются полностью синонимами. Тем не менее, в этой статье речь идет о простоте, поэтому мы просто поговорим о тиристорах в самых общих чертах и предположим, что SCR — это то же самое. Мы будем называть их тиристорами.

Фото: Тиристоры широко используются в электронных схемах управления питанием, подобных этой.

Три подключения

Итак, что такое тиристор? Это электронный компонент с тремя выводами, которые называются анодом (положительный вывод), катодом (отрицательный вывод) и затвором. Они в чем-то аналогичны трем выводам транзистора, которые, как вы помните, называются эмиттером, коллектором и базой (для обычного транзистора) или истоком, стоком и затвором (в полевом транзисторе или полевом транзисторе). ). В обычном транзисторе один из трех выводов (база) действует как элемент управления, который регулирует ток, протекающий между двумя другими выводами. То же самое и с тиристором: затвор управляет током, протекающим между анодом и катодом. (Стоит отметить, что вы можете получить тиристоры с двумя или четырьмя выводами, а также с тремя выводами. Но здесь мы упрощаем, поэтому мы просто поговорим о наиболее распространенном варианте.)

Транзисторы против тиристоров

Если транзистор и тиристор выполняют одну и ту же работу, какая между ними разница? В транзисторе, когда небольшой ток течет в базу, между эмиттером и коллектором протекает больший ток. Другими словами, он действует как переключатель и усилитель одновременно:

Как работает транзистор: Небольшой ток, протекающий в базу, создает больший ток между эмиттером и коллектором. Это npn-транзистор с красным цветом, обозначающим кремний n-типа, синим цветом, обозначающим p-тип, черными точками, представляющими электроны, и белыми точками, представляющими дырки.

То же самое происходит внутри полевого транзистора, за исключением того, что мы прикладываем небольшое напряжение к затвору, чтобы создать электрическое поле, которое помогает току течь от истока к стоку. Если мы удалим небольшой ток в базе (или затворе), большой ток немедленно перестанет течь от эмиттера к коллектору (или от истока к стоку в полевом транзисторе).

Часто это не то, чего мы хотим. В чем-то вроде схемы охранной сигнализации (где, возможно, злоумышленник наступает на нажимную панель, и колокольчики начинают звонить), мы хотим, чтобы слабый ток (активируемый нажимной панелью) отключал больший ток (звон колокольчиков), а для больших ток, чтобы продолжать течь, даже когда меньший ток прекращается (таким образом, колокольчики все еще звонят, даже если наш незадачливый злоумышленник осознает свою ошибку и отступит от площадки). В тиристоре именно так и происходит. Небольшой ток на затворе вызывает гораздо больший ток между анодом и катодом. Но даже если мы затем удалим ток затвора, больший ток продолжит течь от анода к катоду. Другими словами, тиристор остается включенным («защелкивается») и остается в этом состоянии до тех пор, пока схема не будет сброшена.

Там, где транзистор обычно имеет дело с крошечными электронными токами (миллиамперами), тиристор может работать с реальными (электрическими) силовыми токами (обычно несколько сотен вольт и 5–10 ампер). Вот почему мы можем использовать их в таких устройствах, как заводские выключатели питания, регуляторы скорости электродвигателей, бытовые диммеры, выключатели зажигания автомобилей, устройства защиты от перенапряжений и термостаты. Время переключения практически мгновенное (измеряется в микросекундах), и это полезное свойство в сочетании с отсутствием движущихся частей и высокой надежностью является причиной того, что тиристоры часто используются в качестве электронных (твердотельных) версий реле (электромагнитных переключателей).

Как работает тиристор?

Тиристоры являются логическим продолжением диодов и транзисторов, поэтому давайте кратко остановимся на этих компонентах. Если вы не знакомы с твердотельной электроникой, у нас есть более подробные и четкие объяснения того, как работают диоды и транзисторы, которые вы, возможно, захотите прочитать в первую очередь.

Тиристор как два диода

Напомним, что диод представляет собой два слоя полупроводника (p-типа и n-типа), соединенных вместе, чтобы создать переход, в котором происходят интересные вещи. В зависимости от того, как вы подключите диод, через него либо будет течь ток, либо нет, что делает его электронным эквивалентом улицы с односторонним движением. При положительном соединении с p-типом (синий) и отрицательном соединении с n-типом (красный) диод смещен в прямом направлении, поэтому электроны (черные точки) и дырки (белые точки) свободно перемещаются по переходу и нормальный ток течет:

Диод с прямым смещением: ток течет через соединение между p-типом (синий) и n-типом (красный), переносимым электронами (черные точки) и дырками (белые точки).

В противоположной конфигурации, с положительным соединением с n-типом и отрицательным с p-типом, диод смещен в обратном направлении: соединение становится огромной пропастью, которую не могут пересечь электроны и дырки, и ток не течет:

Диод с обратным смещением: при обратном подключении батареи «зона обеднения» на переходе становится шире, поэтому ток не течет.

В транзисторе у нас есть три чередующихся слоя полупроводника (либо pnp, либо npn), что дает два перехода, где могут происходить интересные вещи. (Полевой транзистор немного отличается, с дополнительными слоями металла и оксида, но все же по сути представляет собой сэндвич npn или pnp). Тиристор — это просто следующий шаг в последовательности: четыре слоя полупроводника, снова расположенные попеременно, чтобы дать нам pnpn (или npnp, если вы поменяете местами) с тремя переходами между ними. Анод соединяется с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем, а затвор — с внутренним p-слоем, вот так:

Тиристор подобен двум переходным диодам, соединенным вместе, но с дополнительной связью с одним из внутренних слоев — «затвором».

Вы можете видеть, что это похоже на два соединенных последовательно диода, но с дополнительным соединением затвора внизу. Как и диод, тиристор является выпрямителем: он проводит ток только в одном направлении. Вы не можете сделать тиристор, просто соединив два диода последовательно: дополнительное соединение затвора означает, что это нечто большее. Если вы хорошо знакомы с электроникой, вы заметите сходство между тиристором и диодом Шокли (своего рода двойной диод с четырьмя чередующимися полупроводниковыми слоями, изобретенный пионером транзисторов Уильямом Шокли в 1956 году). Тиристоры произошли от работы Шокли с транзисторами и диодами, которая была усовершенствована Джуэллом Джеймсом Эберсом, разработавшим двухтранзисторную модель, которую мы рассмотрим далее.

Работа: General Electric представила первый коммерчески успешный тиристор (тогда он назывался управляемым кремнием выпрямителем) в июле 1957 года благодаря усилиям Роберта Холла, Ника Холоньяка, Ф. В. «Билла» Гуцвиллера и других. Это базовая иллюстрация тиристора из одного из патентов Билла Гуцвиллера. Изображение из патента США 3,040,270: схема управляемого кремнием выпрямителя, включающая в себя генератор с переменной частотой, любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Тиристор как два транзистора

Что менее очевидно, так это то, что четыре слоя работают как два транзистора (npn и pnp), которые соединены вместе, поэтому выход одного формирует вход для другого. Ворота служат своеобразным «стартером» для их активации.

Тиристор также похож на два транзистора, соединенных вместе, поэтому выход каждого из них служит входом для другого.

Три состояния тиристора

Итак, как эта штука работает? Мы можем поместить его в три возможных состояния, во всех трех из которых оно либо полностью выключено, либо полностью включено, что означает, что это, по сути, бинарное цифровое устройство. Чтобы понять, как работают эти состояния, полезно помнить о диодах и транзисторах:

Блокировка вперед

Обычно при отсутствии тока на затворе тиристор выключен: ток не может течь от анода к катоду. Почему? Думайте о тиристоре как о двух диодах, соединенных вместе. Верхний и нижний диоды смещены в прямом направлении. Однако это означает, что соединение в центре смещено в обратном направлении, поэтому ток не может пройти весь путь сверху вниз. Это состояние называется прямой блокировкой. Хотя это похоже на прямое смещение в обычном диоде, ток не течет.

Обратная блокировка

Предположим, мы поменяли местами соединения анод/катод. Теперь вы, вероятно, видите, что и верхний, и нижний диоды смещены в обратном направлении, поэтому ток через тиристор все еще не течет. Это называется обратной блокировкой (и это аналогично обратному смещению в простом диоде).

Прямое ведение

Третье состояние действительно интересное. Нам нужно, чтобы анод был положительным, а катод отрицательным. Затем, когда ток течет в затвор, он включает нижний транзистор, который включает верхний, который включает нижний, и так далее. Каждый транзистор активирует другой. Мы можем думать об этом как о своего рода внутренней положительной обратной связи, при которой два транзистора продолжают подавать ток друг к другу до тех пор, пока они оба полностью не активируются, и в этот момент ток может течь через них обоих от анода к катоду. Это состояние называется прямой проводимостью, и именно так тиристор «защелкивается» (остается постоянно). Как только тиристор заперт таким образом, вы не можете выключить его, просто отключив ток от затвора: в этот момент ток затвора не имеет значения — и вы должны прервать основной ток, протекающий от анода к затвору. катод, часто отключая питание всей цепи. Не следовать этому? Посмотрите анимацию в поле ниже, которая, я надеюсь, прояснит ситуацию.

Как защелкивается тиристор

Эта небольшая анимация является простым кратким описанием того, как тиристор защелкивается. Вы заметите, что я перерисовал тиристор так, чтобы он выглядел как два транзистора (p-n-p вверху и n-p-n под ним), соединенных вместе, с анодом, катодом и затвором, образующими три внешних соединения. Каждый транзистор действует как вход для другого. Итак, как это работает?

Типы тиристоров

Несколько упрощенно, это суть работы тиристора. Существует множество вариантов, в том числе устройства затвора-выключения (GTO) (которые могут включаться или выключаться под действием затвора), устройства AGT (тиристор с анодным затвором), в которых затвор переходит во внутренний слой n-типа вблизи анод (вместо р-слоя у катода), фотоэлектрические тиристоры, в которых база активируется светом, и всякие другие. Но все они работают примерно одинаково: затвор отключает один транзистор, который затем отключает другой.