Тиристор: Қолданылуы мен қасиеттері

Кіріспе

Қатты күйдегі коммутатордың түрі

Тиристор (/θ//aɪ/'/r//ɪ//s//t//ər/) – қатты күйдегі жартылай өткізгіш құрылғы, оны өте берік және ауыстырылатын диод ретінде қарастыруға болады. Ол токтың бір бағытта өтуіне мүмкіндік береді, бірақ кері бағытта емес, көбінесе қақпа электродының бақылауымен, және инверторлар мен радар генераторлары сияқты жоғары қуатты қолданыстарда пайдаланылады. Ол әдетте P және N типті материалдардың төрт қабатынан тұрады. Ол бистабильді қосқыш (немесе ұстағыш) ретінде жұмыс істейді. Екі түрлі конструкциясы бар, олар өткізгіш күйді іске қосатын факторлармен ерекшеленеді. Үш қосымды тиристорда, қақпалық қосымдағы кішкентай ток, анодтан катодқа дейінгі жолдың үлкен тогын басқарады. Екі қосымды тиристорда, анод пен катод арасындағы потенциалдар айырмашылығы жеткілікті деңгейге жеткенде (бұзылу кернеуі) өткізгіштік басталады. Тиристор, құрылғыдағы кернеу кері полярлыққа ие болғанға дейін немесе кернеу алынып тасталғанға дейін (басқа тәсілмен) немесе жаңа типтерде басқару қақпасы арқылы сигнал берілгенге дейін өткізеді. Кейбір дереккөздер "силиконды басқарылатын түзеткіш" (SCR) пен "тиристор" терминдерін синоним ретінде қарастырады. Басқа дереккөздер тиристорды кемінде төрт қабатты, N және P типті материалдардан кезектесіп орналасқан субстраттан тұратын күрделі құрылғы деп сипаттайды. Алғашқы тиристор құрылғылары 1956 жылы коммерциялық өндіріске шығарылды. Тиристорлар салыстырмалы түрде үлкен қуат пен кернеуді кішкентай құрылғымен басқара алатындықтан, электр қуатын басқаруда кеңінен қолданылады – жарық диммерлерінен және электр қозғалтқыштарының жылдамдығын басқарудан бастап жоғары кернеулі тұрақты токпен электр қуатын беруге дейін. Тиристорларды қуатты коммутациялық схемаларда, релелерді алмастыру схемаларында, инверторлық схемаларда, осцилляторлық схемаларда, деңгейді анықтау схемаларында, шоперлік схемаларда, жарықты димдеу схемаларында, төмен құнмен таймерлік схемаларда, логикалық схемаларда, жылдамдықты басқару схемаларында, фазалық басқару схемаларында және т.б. қолдануға болады. Бастапқыда тиристорлар оларды өшіру үшін ток күшін кері бұруға тәуелді болды, бұл оларды тұрақты токқа қолдануды қиындатты. Жаңа құрылғы түрлерін басқару қақпасы арқылы қосуға және өшіруге болады. Бұл тип қақпалық өшіргіш тиристор немесе GTO тиристоры деп аталады. Транзисторлардан айырмашылығы, тиристорлар екі мәнді коммутациялық сипаттамаға ие, яғни тиристор толығымен қосылған немесе өшірілген күйде болуы мүмкін, ал транзистор қосылған және өшірілген күйлердің арасында болуы мүмкін. Бұл тиристорды аналогтық күшейткіш ретінде қолдануға жарамсыз етеді, бірақ оны коммутатор ретінде пайдалы етеді.

A thyristor (/θ//aɪ/'/r//ɪ//s//t//ər/) is a solid state semiconductor device which can be thought of as being a highly robust and switchable diode, allowing the passage of current in one direction but not the other, often under control of a gate electrode, that is used in high power applications like inverters and radar generators. It usually consists of four layers of alternating P and N type materials. It acts as a bistable switch (or a latch). There are two designs, differing in what triggers the conducting state. In a three lead thyristor, a small current on its gate lead controls the larger current of the anode to cathode path. In a two lead thyristor, conduction begins when the potential difference between the anode and cathode themselves is sufficiently large (breakdown voltage). The thyristor continues conducting until the voltage across the device is reverse biased or the voltage is removed (by some other means), or through the control gate signal on newer types. Some sources define "silicon controlled rectifier" (SCR) and "thyristor" as synonymous. Other sources define thyristors as more complex devices that incorporate at least four layers of alternating N type and P type substrate. The first thyristor devices were released commercially in 1956. Because thyristors can control a relatively large amount of power and voltage with a small device, they find wide application in control of electric power, ranging from light dimmers and electric motor speed control to high voltage direct current power transmission. Thyristors may be used in power switching circuits, relay replacement circuits, inverter circuits, oscillator circuits, level detector circuits, chopper circuits, light dimming circuits, low cost timer circuits, logic circuits, speed control circuits, phase control circuits, etc. Originally, thyristors relied only on current reversal to turn them off, making them difficult to apply for direct current; newer device types can be turned on and off through the control gate signal. The latter is known as a gate turn off thyristor, or GTO thyristor. Unlike transistors, thyristors have a two valued switching characteristic, meaning that a thyristor can only be fully on or off, while a transistor can lie in between on and off states. This makes a thyristor unsuitable as an analog amplifier, but useful as a switch.

Тарих

Силиконды басқарылатын түзетуші (SCR) немесе тиристор 1950 жылы Уильям Шокли ұсынған, ал Молл және басқалар Белл Лабс-те оны жетілдірген. 1956 жылы Гордон Холл басқарған General Electric (GE) энергетика инженерлері оны жасап шығарды, ал GE-нің Фрэнк У. "Билл" Гутцвилер оны коммерцияландырды. Электр және электроника инженерлері институты (IEEE) осы өнертабыс орнын Нью-Йорк штатының Клайд қаласындағы тақтамен белгілеп, оны IEEE тарихи маңызы бар оқиға деп жариялады. Бұрынғы газды түтікше құрылғысы – тиратрон, ұқсас электрондық қосқышты ұсынып, кішкентай басқару кернеуі арқылы үлкен токты қосуға мүмкіндік берген. "Тиристор" термині "тиратрон" және "транзистор" сөздерінің қосылуынан туындаған. Соңғы жылдары кейбір өндірушілер кремний карбидін (SiC) жартылай өткізгіш материал ретінде пайдаланатын тиристорларды жасады. Бұл тиристорлар жоғары температурада, 350 °C-қа дейін жұмыс істей алады.

Қақпа терминалы

Тиристордың үш p-n торабы бар (анодтан бастап J1, J2, J3 деп тізбектеледі). Анод катодқа қатысты оң потенциал VAK-қа ие болғанда, егер қақпаға кернеу қолданылмаса, J1 және J3 тораптары тікелей бағытта, ал J2 торабы кері бағытта поляризацияланады. J2 кері бағытта поляризацияланғандықтан, тоқ өткізілмейді (Өшіруілген күй). Егер VAK тиристордың VBO түйреу кернеуінен асып кетсе, J2 торабында лавиналық түйреу орын алады және тиристор тоқ өткізе бастайды (Қосуылған күй). Егер қақпа терминалына катодқа қатысты оң потенциал VG қолданылса, J2 торабының түйреуі VAK-тың төмендеу мәнінде жүзеге асады. VG-ның тиісті мәнін таңдау арқылы тиристорды жылдам қосуға болады. Лавиналық түйреу болғаннан кейін тиристор, қақпа кернеуіне қарамастан, мыналарға дейін тоқ өткізе береді: (а) VAK потенциалы алынғанға дейін немесе (б) құрылғы арқылы өтетін ток (анод-катод) өндіруші көрсеткен ұстап тұру тогынан кем болғанға дейін. Сондықтан VG кернеу импульсі болуы мүмкін, мысалы, UJT релаксациялық осцилляторының кернеу шығысы. Қақпа импульстары қақпалық түйреу кернеуі (VGT) және қақпалық түйреу тогы (IGT) арқылы сипатталады. Қақпалық түйреу тогы қақпа импульсінің еніне кері пропорционал өзгереді, сондықтан тиристорды түйреу үшін қажетті ең аз қақпа заряды бар екені анық.

Қосу сипаттамалары

Әдеттегі тиристорда, қақпа терминалымен қосылғаннан кейін, құрылғы қосылған күйінде қалады (яғни, қосылған күйінде қалу үшін қақпа тогының үздіксіз берілуі қажет емес), егер анод тогы тұйықтау тогынан (IL) асып кетсе. Анод оң полярлықта сақталған кезде, ток күтіп тұру тогынан (IH) төмен түспесе, оны өшіру мүмкін емес. Қалыпты жұмыс жағдайында тұйықтау тогы үнемі күтіп тұру тогынан жоғары болады. Жоғарыдағы суретте IL, IL>IH болғандықтан, Y осьінде IH-ден жоғары болуы керек. Тиристорды сыртқы тізбек анодты теріс полярлыққа ауыстырса (табиғи немесе желілік коммутация деп аталатын әдіс) өшіруге болады. Кейбір қолданбаларда бұл екінші тиристорды қолданып, бірінші тиристордың анодына конденсаторды разряддау арқылы жасалады. Бұл әдіс мәжбүрлі коммутация деп аталады. Тиристор арқылы өтетін ток күтіп тұру тогынан төмен түскен кезде, тиристорды өшірілген күйде ұстап тұру үшін анодты оң полярлыққа ауыстыру алдында белгілі бір кешігу болуы керек. Бұл ең аз кешігу тізбектік коммутацияланған өшіру уақыты (tQ) деп аталады. Осы уақыт ішінде анодты оң полярлыққа ауыстыруға тырысса, тиристор әлі рекомбинацияланбаған қалған заряд тасымалдаушылары (тесіктер мен электрондар) арқасында өздігінен іске қосылады. Үй шаруашылығындағы айнымалы ток желісінен жоғары жиілікті (мысалы, 50 Гц немесе 60 Гц) қолданбалар үшін tQ-ның төмен мәндері бар тиристорлар қажет. Мұндай жылдам тиристорларды кремнийге зарядтық комбинация орталықтары ретінде әрекет ететін алтын немесе платина сияқты ауыр металл иондарын тарату арқылы жасауға болады. Бүгінде жылдам тиристорлар көбінесе кремнийді электрондық немесе протондық сәулелендіру арқылы немесе иондық имплантация арқылы жасалады. Сәулелендіру ауыр металл қоспасынан гөрі әмбебап, өйткені ол кремнийді өңдеудің өте соңғы кезеңінде де дозаны ұсақ қадамдармен реттеуге мүмкіндік береді.

Кері өткізгіш тиристоры

Кері өткізгіш тиристордың (RCT) құрамында интеграцияланған кері диоды болады, сондықтан кері бұғаттауға қабілетті емес. Бұл құрылғылар кері немесе бос жүріс диодын қолдану қажет болған жағдайларда тиімді. SCR және диод бір уақытта тоқ өткізбегендіктен, олар бірдей уақытта жылу шығармайды және оңай біріктіріліп, бірге салқындатылуы мүмкін. Кері өткізгіш тиристорлар жиілікті өзгерту құралдарында және инверторларда кеңінен қолданылады.

Фототиристорлар

Фототиристорлар жарықпен қосылады. Фототиристорлардың артықшылығы – электр сигналдарына сезімтал болмауы, бұл электр шулы ортада қате жұмыс істеуге себеп болуы мүмкін. Жарықпен қосылатын тиристордың (LTT) шлюзінде оптикалық сезімтал аймақ болады, оған электромагниттік сәуле (әдетте инфрақызыл) оптикалық талшық арқылы жіберіледі. Тиристорды қосу үшін тиристордың потенциалында электрондық тізбектерді орналастыру қажет болмайды, сондықтан жарықпен қосылатын тиристорлар HVDC сияқты жоғары кернеу қолданыстарында тиімді болуы мүмкін. Жарықпен қосылатын тиристорлар кіріктірілген кернеуден қорғаумен (VBO) жабдықталған, ол тиристордың алдыңғы кернеуі тым жоғары болғанда оны қосады; сондай-ақ, кернеуді қалпына келтіру қорғауымен жасалған, бірақ олар коммерциялық түрде қолжетімді емес. Олар HVDC клапанының электроникасын жеңілдеткеніне қарамастан, жарықпен қосылатын тиристорларға әлі де қарапайым бақылау электроникасы қажет болуы мүмкін және олар тек бірнеше өндірушіден ғана қол жетімді. Екі кең таралған фототиристор – жарықпен белсендірілген SCR (LASCR) және жарықпен белсендірілген TRIAC. LASCR жарыққа түскенде қосылатын қосқыш ретінде жұмыс істейді. Жарыққа түскеннен кейін, жарық болмағанда, егер қуатты ажыратпаса және катод пен анодтың полярлығы өзгермесе, LASCR «қосылған» күйде қалады. Жарықпен белсендірілген TRIAC LASCR-ге ұқсас, бірақ ол айнымалы ток үшін арналған.

Қолданбалар

Тиристорлар негізінен жоғары ток пен кернеулер қатысатын жерлерде қолданылады және көбінесе айнымалы токтарды басқару үшін қолданылады, онда ток полярлығының өзгеруі құрылғыны автоматты түрде өшіруге себеп болады, бұл "нөлдік кесісу" операциясы деп аталады. Құрылғы синхронды жұмыс істейді деуге болады; ол іске қосылғаннан кейін, катодтан анодқа қолданылатын кернеумен фазада ток өткізеді, одан әрі қақпа модуляциясы қажет болмайды, яғни құрылғы толығымен ашылады. Бұл асимметриялық жұмыспен шатастырылмауы керек, себебі шығыс бір бағытты, тек катодтан анодқа ғана ағып, сондықтан табиғаты бойынша асимметриялық. Тиристорларды фазалық бұрышпен іске қосылатын басқару құрылдары үшін басқару элементтері ретінде қолдануға болады. Олар сондай-ақ цифрлық тізбектердің қуат көздерінде де кездеседі, онда олар "күшейтілген автоматты қосқыш" ретінде қолданылады, қуат көзіндегі ақаулықтың төменгі құрамдастарға зақым келтіруіне жол бермейді. Тиристор қақпасына қосылған Зенер диодымен бірге қолданылады, егер қуат көзінің шығыс кернеуі Зенер кернеуінен асып кетсе, тиристор ток өткізеді және қуат көзінің шығысын жерге қысқа тұйықтайды (әдетте жоғарыдағы қосқышты немесе сақтандырғышты да іске қосады). Осындай қорғау тізбегі "ломбар" деп аталады және стандартты автоматты қосқыштан немесе сақтандырғыштан артықшылығы бар, өйткені ол зиянды қуат кернеуінен және потенциалды түрде сақталған энергиядан (қуат алатын жүйеде) жерге жоғары өткізгіштік жолын жасайды. Тиристорлардың кең ауқымды қолданылуының алғашқы мысалы, оған байланысты іске қосу диоды, 1970-ші жылдардың басында түсті теледидар қабылдағыштарындағы тұрақтандырылған қуат көздерінде болды. Қабылдағыштың тұрақтандырылған жоғары кернеулі тұрақты тогы тиристор құрылғысының қосқыш нүктесін айнымалы ток көзінің оң жағының төмендеу кезеңінде жоғары және төмен жылжыту арқылы алынды (егер көтерілу кезеңі қолданылса, құрылғы іске қосылғанда шығыс кернеуі әрқашан ең жоғары кіріс кернеуіне қарай өседі, соның салдарынан реттеу мақсатына жетілмейді). Нақты қосқыш нүктесі тұрақты ток шығысындағы жүктемемен, сондай-ақ айнымалы ток кірісінің ауытқуларымен анықталды. Тиристорлар ондаған жылдар бойы теледидарда, кинода және театрларда жарықтың күшін реттеуге арналған құрылғы ретінде қолданылып келеді, олар автотрансформаторлар мен реостаттар сияқты нашар технологияларды ығыстырды. Олар сондай-ақ фотографияда жарқыраудың (стробтың) маңызды бөлігі ретінде қолданылды.

Thyristors are mainly used where high currents and voltages are involved, and are often used to control alternating currents, where the change of polarity of the current causes the device to switch off automatically, referred to as "zero cross" operation. The device can be said to operate synchronously; being that, once the device is triggered, it conducts current in phase with the voltage applied over its cathode to anode junction with no further gate modulation being required, i. e., the device is biased fully on. This is not to be confused with asymmetrical operation, as the output is unidirectional, flowing only from cathode to anode, and so is asymmetrical in nature. Thyristors can be used as the control elements for phase angle triggered controllers, also known as phase fired controllers. They can also be found in power supplies for digital circuits, where they are used as a sort of "enhanced circuit breaker" to prevent a failure in the power supply from damaging downstream components. A thyristor is used in conjunction with a Zener diode attached to its gate, and if the output voltage of the supply rises above the Zener voltage, the thyristor will conduct and short circuit the power supply output to ground (in general also tripping an upstream breaker or fuse). This kind of protection circuit is known as a crowbar, and has the advantage over a standard circuit breaker or fuse in that it creates a high conductance path to ground from damaging supply voltage and potentially for stored energy (in the system being powered). The first large scale application of thyristors, with associated triggering diac, in consumer products related to stabilized power supplies within color television receivers in the early 1970s. The stabilized high voltage DC supply for the receiver was obtained by moving the switching point of the thyristor device up and down the falling slope of the positive going half of the AC supply input (if the rising slope was used the output voltage would always rise towards the peak input voltage when the device was triggered and thus defeat the aim of regulation). The precise switching point was determined by the load on the DC output supply, as well as AC input fluctuations. Thyristors have been used for decades as light dimmers in television, motion pictures, and theater, where they replaced inferior technologies such as autotransformers and rheostats. They have also been used in photography as a critical part of flashes (strobes).

Снабберлік схемалар

Тиристорлар тоқтан өшірілген күйдегі кернеудің күрт өсуімен іске қосылуы мүмкін. Тиристордың аноды мен катодындағы тоқтан өшірілген күйдегі кернеуді арттырғанда, конденсатордың зарядталу тогына ұқсас зарядтар ағыны пайда болады. Тиристордың тоқтан өшірілген күйдегі кернеудің өсу жылдамдығы немесе dV/dt көрсеткіші – маңызды параметр, себебі ол қақпаға сигнал түспеген кезде тиристорды тоқ өткізгіштікке жеткізбейтін анод кернеуінің максималды өсу жылдамдығын көрсетеді. Тиристордың аноды мен катодындағы тоқтан өшірілген күйдегі кернеудің өсу жылдамдығына байланысты зарядтардың ағыны, қақпаға қуат берілген кезде инъекцияланатын зарядтардың ағынына тең болса, тиристордың кездейсоқ және қате іске қосылуына алып келеді, бұл қаланбаған жағдай. Бұл, анод пен катод арасына кедергі-конденсаторлық (RC) сөндіргіш тізбегін қосу арқылы болдырылады, ол dV/dt (яғни, уақыт бойынша кернеудің өзгеру жылдамдығын) шектейді. Сөндіргіштер – электрлік немесе механикалық қосқыштар ашылған кезде тізбектің индуктивтілігінен туындаған кернеудің импульстарын басуға арналған энергияны сіңіретін тізбектер. Ең көп қолданылатын сөндіргіш тізбегі – конденсатор мен резистор, олар тізбекке (транзисторға) тізбектей жалғанған.

HVDC электр беру

Қазіргі заманғы тиристорлар мегаватттар өлшемінде қуатты қосуға қабілетті болғандықтан, тиристорлық клапандар жоғары кернеулі тұрақты ток (ЖҚТ) жүйелерінде ауыспалы токтан тұрақты токқа немесе керісінше түрлендірудің негізгі бөлігіне айналды. Осы және басқа да өте жоғары қуатты қолдану салаларында электрлік (ETT) және жарықпен іске қосылатын (LTT) тиристорлар әлі де басты таңдау болып табылады. Тиристорлар диодтық көпір схемасында орналастырылады және гармоникаларды азайту үшін 12 импульстік түрлендіргіш құру мақсатымен тізбектей жалғанады. Әрбір тиристор деионизацияланған сумен салқындатылады, ал тұтас құрылым көп қабатты клапан стегіндегі бір қабатты құрайтын бірнеше бірдей модульдің бөлігіне айналады, бұл құрылым төрттік клапан деп аталады. Мұндай үш стег әдетте ұзақ қашықтыққа қуат беру станциясының клапан залы еденіне орнатылады немесе төбесінен ілінеді.

Басқа құрылғылармен салыстыру

Тиристордың функционалдық кемшілігі – диод сияқты, ол тек бір бағытта ток өткізеді, сондықтан оны айнымалы токпен (АЖ) қауіпсіз пайдалануға болмайды. TRIAC деп аталатын ұқсас, 5 қабаттан тұратын құрылғы екі бағытта да жұмыс істей алады. Дегенмен, бұл қосымша мүмкіндік те кемшілікке айналуы мүмкін. TRIAC екі бағытта да ток өткізе алатындықтан, реактивті жүктемелер айнымалы ток циклының нөлдік кернеу моментінде оның өшірілуіне кедергі келтіруі мүмкін. Осы себепті, TRIAC-ты (мысалы) күшті индуктивті моторлық жүктемелермен пайдаланғанда, оның әр жарты циклында өшірілуін қамтамасыз ету үшін TRIAC-тың айналына "сүңгір" (snubber) тізбегін қосу қажет болады. Кері параллель SCR-лерді TRIAC орнына да қолдануға болады; себебі әрбір SCR жұбына кері полярлықтың толық жарты циклы түсіріледі, сондықтан SCR-лер, TRIAC-тардан айырмашылығы, міндетті түрде өшіріледі. Бірақ, мұндай шешімнің "қымбаты" – екі бөлек, бірақ негізінен бірдей басқару тізбегінің күрделілігін арттыру болып табылады. Тиристорлар мегаваттық деңгейде АЖ-ны ТЖ-ға түрлендіруде кеңінен қолданылса да, төмен және орташа қуаттылықтағы (бірнеше ондаған ватттан бірнеше ондаған киловаттқа дейін) қолданбаларда олар жоғары коммутациялық қасиеттері бар қуатты MOSFET немесе IGBT сияқты басқа құрылғылармен ауыстырылды. SCR-лермен байланысты маңызды мәселе – олар толыққанды басқарылатын коммутаторлар емес. GTO тиристоры және IGCT – осы мәселені шешуге бағытталған тиристорға қатысты екі құрылғы. Жоғары жиілікті қолданбаларда тиристорлар биполярлы ток өткізгіштігінен туындаған ұзақ коммутация уақытының салдарынан тиімді емес. MOSFET-тер, керісінше, бірполярлы ток өткізгіштігінің (тоқ тек көпшілік тасымалдаушылар арқылы өтеді) арқасында әлдеқайда жылдам коммутацияға ие.