Чем отличается диод от тиристора

Тиристоры: принцип работы, назначение, характеристики, проверка работоспособности

Тиристор представляет собой вид полупроводниковых приборов, предназначенный для однонаправленного преобразования тока (т.е. ток пропускается только в одну сторону).

Этот преобразователь имеет два устойчивых состояния: закрытое (состояние низкой проводимости) и открытое (состояние высокой проводимости). Назначение тиристора – выполнение функции электроключа, особенность которого – невозможность самостоятельного переключения в закрытое состояние. Прибор выполняет функции коммутатора разомкнутой цепи и ректификационного диода в сетях постоянного тока. Основным материалом при производстве этого полупроводникового устройства является кремний. Корпус изготавливается из полимерных материалов или металла – для моделей, работающих с большими токами.

Устройство тиристора и области применения

В состав прибора входят 3 электрода:

• анод;
• катод;
• управляющий электрод.

В отличие от двухслойного диода, тиристор состоит из 4-х слоев – p-n-p-n. Оба устройства пропускают ток в одну сторону. На большинстве старых моделей его направление обозначается треугольником. Внешнее напряжение подается знаком «-» на катодный электрод (область с электропроводностью n-типа), «+» – на анодный электрод (область с электропроводностью p-типа).

Тиристоры применяют в сварочных инверторах, блоках питания зарядного устройства для автомобиля, в генераторах, для устройства простой сигнализации, реагирующей на свет.

Принцип работы тиристоров

В специализированной литературе тиристор называется «однооперационным» и относится к группе не полностью управляемых радиодеталей. Он переходит в активное состояние при получении импульса определенной полярности от объекта управления. На скорость активации и последующее функционирование оказывают влияние:

• характер нагрузки – индуктивная, реактивная;
• величина тока нагрузки;
• скорость и амплитуда увеличения управляющего импульса;
• температура среды устройства;
• уровень напряжения.

Переключение из одного состояния в другое осуществляется с помощью управляющих сигналов. Для полного отключения тиристора требуется выполнить дополнительные действия. Выключение осуществляется несколькими способами:

• естественное выключение (естественная коммутация);
• принудительное выключение (принудительная коммутация), этот вариант может осуществляться множеством способов.

При эксплуатации возможны незапланированные переключения из одного положения в другое, которые провоцируются перепадами характеристик электроэнергии и температуры.

Классификационные признаки

По способу управления различают следующие виды тиристоров:

Диодные (динисторы)

Активируются импульсом высокого напряжения, подаваемым на анод и катод. В конструкции присутствуют 2 электрода, без управляющего.

Триодные (тринисторы)

Разделяются на две группы. В первой управляющее напряжение поступает катод и электрод управления, во второй – на анод и управляющий электрод.

Симисторы

Выполняют функции двух включенных параллельно тиристоров.

Оптотиристоры

Их функционирование осуществляется под действием светового потока. Функцию управляющего электрода выполняет фотоэлемент.

По обратной проводимости тиристоры разделяются на:

• обратно проводящие;
• обратно непроводящие;
• с ненормируемым обратным значением напряжения;
• пропускающие токи в двух направлениях.

Основные характеристики тиристоров, на которые стоит обратить внимание при покупке

• Максимально допустимый ток. Эта величина характеризует наибольшее значение тока открытого тиристора. У мощных устройств она составляет несколько сотен ампер.
• Максимально допускаемый обратный ток.
• Прямое напряжение. Этот параметр тиристора равен падению напряжения при максимально возможном токе.
• Обратное напряжение. Характеризует максимально допустимое напряжение на устройстве, находящемся в закрытом состоянии, при котором оно не утрачивает способность выполнять свои функции.
• Напряжение включения. Это наименьшая величина, при которой возможно функционирование тиристора.
• Минимальный ток управляющего электрода. Равен величине тока, которого достаточно для активации устройства.
• Наибольшая допустимая рассеиваемая мощность.

Проверка тиристора на исправность

Прибор можно проверить несколькими способами, один из них – использование специального самодельного тестера, собираемого по представленной ниже схеме:

Такая схема предназначена для работы при напряжении 9-12 В. Для других значений напряжения питания производят перерасчет величин R1-R3.

• К аноду подключают положительный полюс, к катоду подводят «-».
• На управляющий электрод с помощью кнопки SA подают сигнал к открытию устройства.
• Если светодиод загорается до нажатия кнопки SA или не загорается после нажатия, то прибор является неработоспособным.

Заключение

Тиристор — не полностью управляющий ключ. Если есть ток удержания, то перейдя в открытое состояние, тиристор остается в нем, даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход.

Тема 2.1. Полупроводниковые приборы

Из курса физики вы знаете, что существуют проводники, диэлектрики и полупроводники . Для проводников характерна проводимость 10 2 -10 8 См/см 3 (См – сименс = 1/Ом), для диэлектриков – 10 -10 См/см 3 и меньше. Промежуток от 10 -10 до 10 2 См/см 3 занимают полупроводники. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры.

Полупроводниковыми приборами называют электропреобразова-тельные приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих в самом полупроводнике или на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.

К полупроводниковым приборам можно отнести:

— стабилитроны или опорные диоды

— биполярные и полевые транзисторы и др.

Для изготовления реальных полупроводниковых приборов, как правило, используют германий, кремний и арсенид галлия.

Действие полупроводниковых приборов основано на электронных процессах, протекающих в кристаллах полупроводников. Основным полупроводниковым материалом в настоящее время является кристаллический кремний.

Кристаллы кремния в обычных условиях являются диэлектриками. Однако, если в них ввести небольшое количество пятивалентных элементов (сурьма, мышьяк), в их кристаллической решетке образуются свободные электроны и кристаллы становятся проводниками. Такая проводимость кристаллов называется электронной, или отрицательной, или негативной (negative), или проводимостью n-типа.

Введение в кристалл кремния трехвалентных примесей (индий, бор) приводит к тому, что в кристалле возникает дефицит электронов — так называемые дырки, которые также могут переносить электрические заряды. Такая проводимость называется дырочной, или положительной (positive), или проводимостью р-типа.

Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся диоды, транзисторы, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами, — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, варикапы, которые используются в качестве датчиков физических параметров. К интегральным приборам относятся интегральные микросхемы и микропроцессоры.

Диоды. Различают выпрямительные и излучающие диоды, фотодиоды.

Выпрямительные диоды представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух слоев полупроводникового материала с электропроводностью типа n и p. Граница между этими слоями обладает способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Такие диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Излучающие диоды представляют собой диоды, способные излучать свет определенного спектрального состава при прохождении через них тока. Излучающие диоды применяют в качестве индикаторов режимов работы аппаратуры, часов, микрокалькуляторов.

Фотодиоды обладают свойством пропускать или не пропускать электрический ток в зависимости от уровня освещения. Используются для автоматического отключения уличного освещения, для подсчета деталей на конвейере, а также в турникетах.

Транзисторы — это полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Транзисторы в отличие от диодов состоят из трех кристаллов типа р-n-р или n-р-n и имеют три вывода.

Полупроводниковые диоды.

П олупроводниками являются вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и изоляторами, по своим электропроводящим свойствам.
В полупроводниках, как и в металлах ток представляет из себя упорядоченное движение заряженных частиц.
Однако, вместе с перемещением отрицательных зарядов(электронов) в полупроводниках имеет место упорядоченное перемещение положительных зарядов, т. н. — дырок.

Дырки получаются при участии ионов вещества полупроводника — атомов с сбежавшими электронами. В реальности, ионизированные атомы не покидают своего места, в кристаллической решетке. На самом деле, имеет место поэтапное изменение состояния атомов вещества, когда электроны перескакивают с одного атома, на другой. Возникает процесс, внешне выглядящий, как упорядоченное движение неких условных положительно заряженных частиц — дырок.

В обычном, чистом полупроводнике соотношение дырок и свободных электродов 50%:50%.
Но стоит добавить в полупроводник небольшое количество вещества — примеси, как это соотношение претерпевает значительные изменения. В зависимости от особенностей добавленного вещества полупроводник приобретает либо ярко выраженную электронную проводимость(n-тип), либо его основными носителями становятся дырки(p-тип).

Полупроводниковый переход(p-n) формируется на стыке двух фрагментов полупроводникового материала, имеющих разную проводимость. Он представляет из себя крайне тонкую область, обедненную носителями обоих типов. p-n переход имеет незначительное сопротивление, когда направление тока — прямое, и очень большое, когда направление тока — обратное.

Обычный полупроводниковый диод состоит из одного полупроводникового перехода, снабженного двумя выводами — анодом(положительным электродом) и катодом — отрицательным электродом. Соответственно, диод обладает свойством односторонней проводимости — он хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо в обратном.

Что это означает на практике?
Представим себе электрическую цепь, состоящую из батарейки и лампочки накаливания, подключенной последовательно через полупроводниковый диод. Лампочка будет гореть только в том случае, если анод (положительный электрод) подключен к плюсу источника питания (батарейки) а катод (отрицательный электрод) к минусу — через накальную нить лампочки.

Это и является прямым включением полупроводникового диода. Если поменять полярность источника питания, включение диода окажется обратным — лампочка гореть не будет. Обратите внимание как выглядит обозначение полупроводникового диода на схеме — треугольная стрелочка, указывающая прямое включение, совпадает с общепринятым в электротехнике направлением тока — от плюса источника питания, к минусу. Вертикальная черточка примыкающая к ней символизирует преграду для движения тока в обратном направлении.

Существует одно обязательное условие для нормальной работы любого полупроводникового диода. Напряжение источника питания должно превышать некоторый порог (величину потенциала внутреннего смещения p-n перехода). Для выпрямительных диодов он как правило — меньше 1 вольта, для германиевых высокочастотных диодов порядка 0,1 вольта, для светодиодов может превышать 3 вольта. Это свойство полупроводниковых диодов можно использовать при создании низковольтных стабилизированных источников питания.

Если диод подключить обратно и постепенно повышать напряжение источника питания, в некоторый момент обязательно наступит обратный электрический пробой p-n перехода. Диод начнет пропускать ток и в обратном направлении, а переход окажется испорченным. Величина максимального допустимого обратного напряжения (Uобр.и.) широко разнится у различных типов полупроводниковых диодов и является очень важным параметром.

Вторым, не менее важным параметром можно назвать предельное значение прямого тока-Uпр. Этот параметр напрямую зависит от величины падения напряжения на переходе полупроводникового диода, материала полупроводника и теплообменных характеристик корпуса.

Выпрямление переменного тока.

Заменим источник питания постоянного тока, на источник переменного тока, близкого напряжения. Лампочка будет гореть, но более тускло, с небольшим мерцанием. Как известно, переменный ток частотой 50 гц. плавно меняет свое направление 50 раз в секунду. Диод пропустит полуволны направленные в его прямом направлении, и обрежет направленные в обратном.
На рисунке ниже, отрицательные полуволны для наглядности, изображены синим цветом, а положительные — красным.

Таким образом на лампочке окажется выпрямленное напряжение, пульсирующее с два раза, меньшей частотой. Результируещее напряжение при этом, окажется несколько ниже номинального. Для более качественного выпрямления переменного тока применяется так называемая, мостовая схема, из четырех диодов в однофазной цепи.

В трехфазной цепи переменного тока, положительная ветвь диодного мост выглядит вот — так:

Для надежной работы при проектировании источников питания выбираются полупроводниковые диоды с 50 % запасом по параметрам Uобр.и. и Jпр. Это связано с тем, что при работе на предельных токах надежность выпрямителя снижается, из-за нагрева p-n переходов.

Стабилизация напряжения и Стабилитроны.

Выходное напряжение обычного, нестабилизированного источника постоянного электрического тока подвержено колебаниям, из- за изменений напряжения на его входе. Рисунок. При подключении различных потребителей потребляющих разный ток напряжение так же меняется – возрастает при меньшей нагрузке, падает при большей. Для нормальной работы электронных устройств необходимо это напряжение стабилизировать, сделав его величину независимой от вышеупомянутых факторов. Стабилитроны это полупроводниковые диоды, использующиеся для стабилизации напряжения в различных источниках питания. В отличии от обычных диодов работают при обратном включении, в режиме пробоя. Это не наносит им вреда, если не превышается предел рассеивающей мощности, величина которого является производной, от падения напряжения на переходе и тока через него протекающего.

Итак, важнейшие параметры стабилитрона — это напряжение стабилизации и максимальный рабочий ток. Рабочий ток стабилитрона, ограничивается с помощью последовательно включенного резистора.

Тиристоры.

Трехэлектродные тиристоры(тринисторы) — полупроводниковые приборы, применяемые для регулирования мощности в сетях переменного и постоянного токов. Тиристор легко переходит из закрытого (непроводящего) состояния в открытое, при подаче на управляющий электрод открывающего импульса. После того, как тиристор открыт, он остается в таком состоянии, пока протекающий через него ток не снизится до определенного порогового значения.

При работе в цепях переменного тока, подобное снижение происходит с каждой сменой полярности, при изменении фазы. В цепях постоянного тока, для отключения используются специальные схемы.

Разновидности диодов.

Помимо способности пропускать ток только в одном направлении, p-n переход обладает рядом других интересных особенностей. Например, способностью излучать(в т. ч. и в видимом диапазоне) при протекании тока в прямом направлении и генерировать эл. ток под воздействием излучения. Эта особенность используется при реализации таких электронных элементов как светодиоды, фотодиоды и фотоэлементы.
Кроме того, любой p-n переход обладает еще и электрической емкостью, а кроме того, возможностью ее изменять с помощью напряжения приложенного в обратном направлении. Используя ее удалось создать такие полезные элементы как ВАРИКАПЫ.

Варикапы.

Итак, p-n переход обладает электрической емкостью, величина которой зависит от его площади и ширины. Если подавать напряжение в обратном направлении — переход смещается, площадь остается неизменной, но ширина увеличивается. Емкость, при этом соответственно — уменьшается. Появляется возможность, изменяя величину приложенного напряжения, эту емкость регулировать. Электронные элементы(диоды, по сути) созданные на этом принципе называют — варикапами.

Варикапы используются в радиоаппаратуре вместо обычных конденсаторов переменной емкости для перестройки частоты колебательных контуров. Приемущество Применение варикапов позволило значительно снизить габариты и повысить эффективность блоков селекции радиоприемных устойств, относительно просто и недорого реализовать автоматизацию процессов настройки(проводимых ранее вручную).

Диоды Шоттки.

Диод Шоттки(диод с барьером Шоттки) — полупроводниковый диод с малым падением напряжения(0,2—0,4 вольт) при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В диодах Шоттки в отличие от обычных диодов,вместо p-n перехода используется переход металл-полупроводник. Это дает ряд особых преимуществ — пониженное падение напряжения при прямом включении, очень маленький заряд обратного восстановления.

Последнее объясняется тем, что в отличии от обычных диодов диоды Шоттки работают только на основных носителях, а их быстродействие ограничивается лишь барьерной емкостью. Диоды Шоттки наиболее целесообразно использовать в быстродействующих импульсных цепях, для выпрямления малых напряжений высокой частоты, в высокочастотных смесителях, в ключах и коммутаторах.

Светодиоды.

При протекании прямого тока через любой p-n переход(любого диода!) происходит генерация фотонов. Это является следствием циклической рекомбинации — восстановления атомов вещества в процессе перемещения основных носителей тока.
Электронные элементы служащие для генерации света и основанный на этом принципе называется соответственно — светодиодами. Светодиоды используют для индикации, передачи информации, в составе таких электронных приборов как оптопары.

К.П.Д. и яркость современных светодиодов настолько высоки, что на настоящий момент они являются наиболее перспективными источниками искуственного освещения. В зависимости от материала выбранного в качестве полупроводника светодиоды излучают на разных длинах волн.
ИК — диоды излучают в инфракрасной области, индикаторные и осветительные светодиоды в видимой части спектра(зеленые, красные, желтые и т. п.). Наиболее высоким К.П.Д. отличаются светодиоды излучающее в ультрафиолетовой области. Интересно, что как раз этот тип наиболее часто применяется для освещения. Белый свет получается при использовании специального люминофора, преобразующего ультрафиолет.

Интенсивность излучения светодиода возрастает при увеличении тока протекающего через p-n переход, до определенного предела. После его достижения сетодиод выходит из строя. Поэтому, для нормальной работы необходимо ограничивать ток.
Как правило, это реализуется с помощью последовательного подключения резистора.

Стабисторы.

Существующие стабилитроны имеют ограничение по минимальному напряжению стабилизации(около 3 В).
Что делать, если необходим источник стабилизированного напряжения до 3-х вольт? Использовать прямую ветвь Вольт — Амперной Характеристики диода(ВАХ). В области прямого смещения p-n-перехода напряжение на нем может иметь значение 0,7. 2 В(в зависимости от материала полупроводника) и мало зависит от тока.
Диоды специально используемые в этом качестве, называют — СТАБИСТОРАМИ.

Фотодиоды.

Фотодиод — это светочувствительный полупроводниковый элемент с одним p-n переходом, обратный ток которого меняется в зависимости от уровня освещенности. Величина на которую происходит его изменение при этом, называется фототоком.

Фотодиоды используют для преобразования сигналов передаваемых в оптическом режиме в электрическую форму. Малая инерционость фотодиодов способствует приему передачи информации, с большой плотностью, например, в при передаче ее по оптоволоконным линиям. Кроме того фотодиоды могут использоваться в фотоприемниках дистанционного управления и т. д.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».