Силовые тиристоры

Тиристор – полупроводниковый прибор, предназначенный для регулирования и коммутации достаточно больших токов. Конструктивно имеет 3 вывода, один из которых управляющий (управляющий электрод), а два других служат для протекания тока. Трёхполюсный полупроводник используется для управления мощной нагрузкой при помощи относительно слабого сигнала. Прибор широко применяется в цепях переменного тока: при колебаниях волна проходит через 0, обесточивает тиристор, который при этом возвращается в исходное состояние. Прибор по сути является электронным ключом с фиксацией. Внутреннее устройство тиристора позволяет фиксировать включенное состояние. Полупроводниковые приборы стабильно работают при больших токах и напряжениях. Тиристоры выполняются в различных корпусах. На корпусе имеется металлический отвод, на который можно закрепить радиатор для рассеивания тепловой энергии. Маломощные модели не имеют теплового отвода.

Особенности функционирования тиристоров:

• подключаются последовательно с нагрузкой;
• имеют 2 фиксированных состояния: открыт или закрыт;
• открываются только по управляющему сигналу;
• открытое состояние сохраняется, пока есть прохождение тока;
• движение тока в одну сторону, напряжение пропускается от анода к катоду.

Тиристор не сопротивляется прохождению тока, поэтому может работать в импульсном режиме и коммутировать большие токи.

Симистор – полупроводниковый прибор, в котором объединены два встречно подключенных тиристора с единым управляющим сигналом. Прохождение тока осуществляется в двух направлениях. Пример практического применения: простые и надёжные схемы регулировки мощности освещения (мощность накала ламп) на 220В.

Силовой тиристорный модуль – полупроводниковый прибор, состоящий из кремниевых тиристоров, соединённых последовательно. Применяется для регулировки и преобразования постоянного и переменного тока.

Маркировка изделий

Силовые тиристоры имеют маркировку по видам:
Т – общее обозначение тиристора;
ТЛ – лавинный;
ТБ – быстродействующий (малое время перехода из одного состояния в другое);
ТБИ – быстродействующий импульсный (используются в схемах с импульсными режимами работы);
ТС – симметричный (симистор).
Далее следует трёхзначное число, указывающее модификацию по конструктивным параметрам:

• первая цифра - номер модификации;
• вторая цифра - код размера под ключ или диаметр таблетки;
• третья цифра - конструктивное исполнение корпуса.

Маркировка силовых модулей указывает виды полупроводников, объединённых в монолитной конструкции:

МТТ – модуль тиристор-тиристор;
МТД – модуль тиристор-диод;
МДД – модуль диод-диод.

Разновидности тиристоров

Полупроводниковые элементы силовых тиристоров монтируются в герметичные корпуса различных конструкций:

• штыревые с паяными или прижимными контактами;
• таблеточные;
• модульные.

Штыревая конструкция имеет медное основание с нарезным болтом или фланцем для крепления к охладителю. В корпусе из металлокерамики размещена многослойная полупроводниковая структура.  Верхний силовой вывод – гибкий, изготовлен в виде металлического плетеного жгута. В сортаменте штыревых тиристоров представлены группы: низкочастотные, лавинные, быстродействующие, быстродействующие импульсные, симметричные (симисторы). Полупроводниковые приборы используются в преобразовательных устройствах, цепях постоянного и переменного тока различных силовых электротехнических установок.

Таблеточная конструкция – это полый цилиндрический изолятор с двумя медными основаниями по торцам. Между основаниями размещена полупроводниковая структура. Конструкция не имеет паяных и сплавных соединений, что повышает стойкость силового полупроводникового прибора к термоциклическим воздействиям. Основания корпуса служат для подсоединения токоподводов и теплоотводов. Соединение выполняется с помощью прижимного устройства. В сортаменте таблеточных тиристоров представлены группы: низкочастотные, лавинные, быстродействующие, быстродействующие импульсные.

Модульный силовой полупроводниковый прибор содержит два силовых полупроводниковых элемента (кристалла). Конструкция состоит из основания, полупроводниковых структур и защитного корпуса. Основание имеет теплопроводную изолирующую прокладку. Таким образом основание служит теплоотводом, который электрически изолирован от выводов полупроводниковых структур тиристора.  Защитный корпус – из пластмассы, с электрическими выводами. Схемы соединения кристаллов в модуле могут быть различны: встречно-параллельное, параллельное с общим катодом и параллельное с общим анодом. Все типы модулей имеют стандартизованную конструкцию, что облегчает их монтаж.

Все виды корпусов отличаются прочностью, надёжно защищают от возможных механических повреждений. Герметичное исполнение предохраняет от негативного воздействия окружающей среды: повышенной влажности и др.

Основные параметры тиристоров

Свойства и эксплуатационные возможности полупроводниковых приборов определяются их параметрами.

• Максимально допустимый прямой ток Iпр. Предельная величина тока открытого тиристора. У мощных приборов оно достигает сотни ампер.
• Максимально допустимый обратный ток Iобр. Указывается у обратно проводящих проборов.
• Прямое напряжение Uпр. Величина падения напряжения при максимальном значении тока.
• Обратное напряжение Uобр. Предельное напряжение на тиристоре в закрытом состоянии, при котором полупроводниковый прибор работает без нарушения работоспособности.
• Напряжение включения. Минимальное U, приложенное к аноду, требуется для работы полупроводникового прибора.
• Минимальный ток управляющего электрода. Величина, при которой включается тиристор.
• Максимально допустимый ток управления. Превышение максимума влечет выход из строя прибора.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность. Определяет величину подключаемой нагрузки.
• Динамические параметры. Время переключения тиристора из закрытого состояния в открытое при поступлении сигнала.

Общие характеристики тиристоров

Современные тиристоры выпускаются с рабочими характеристиками широкого диапазона:

• работают с токами в диапазоне 1 мА – 10 кА;
• напряжение от нескольких В до кВ;
• скорость нарастания прямого тока до 109 А/с;
• скорость нарастания напряжения до 109 В/с;
• время включения до нескольких десятков мкс;
• время выключения до нескольких сотен мкс;
• КПД до 99%.

Тиристоры эксплуатируются в различных условиях. Для бесперебойной работы полупроводниковых приборов следует учитывать регион эксплуатации и использовать модели соответствующего климатического исполнения. Так, для умеренного, холодного региона подходят модели УХЛ, для тропического – Т.

Отличительные особенности различных видов тиристоров

Каждый вид тиристоров имеет отличительные особенности.

• Штыревые

Шестигранная форма основания позволяет выполнять монтаж при помощи гаечного ключа. При этом обеспечивается высокая надёжность соединения. Фланцевая конструкция крепится с помощью прижимного устройства. Одностороннее охлаждение полупроводниковой структуры.

• Таблеточные

Меньшие масса и габариты, симметричность конструкции позволяют существенно уменьшить габариты преобразовательных устройств. Возможность двустороннего теплоотвода обеспечивает нормальный температурный режим.

• Модульные

Высокая энерготермоциклостойкость (более 100000 циклов при Т =100° С), надежная работа приборов при коммутации больших токов (до 1250 А) в тяжелых условиях эксплуатации. Прижимная конструкция. Силовые модули позволяют реализовать различные варианты схем:

1. Одиночный прибор (диод, тиристор, оптотиристор или симистор);
2. Два прибора, включенных параллельно;
3. Два последовательно или встречно соединенных прибора (с общим катодом или анодом);
4. Два прибора, включенных встречно-параллельно;
5. Асимметричный тиристор с обратным диодом и др.

Применение

Основное назначение тиристоров — включение и выключение мощной нагрузки при помощи маломощных управляющих сигналов.

Тиристоры применяются в схемах различных устройств, таких как:

• управляемые выпрямители;
• инверторах;
• импульсные регуляторы мощности (переменного тока);
• преобразователи постоянного и переменного тока;
• системах возбуждения генераторов;
• коммутаторы в сетях переменного тока (электронный ключ);
• схемы защиты и др.

Сферы применения симметричных тиристоров:

• двигатели (регулирование скорости вращения), текстильная и швейная промышленность;
• высококачественная электросварка кузовов автомобилей и бронетанковой техники;
• светотехнические изделия (регулирование света в светильниках промышленного и бытового применения);
• электротермическое оборудование (регулирование температуры).

Силовые модули востребованы в различных устройствах:

• выпрямительные мосты;
• регуляторы переменного тока;
• для "мягкого" запуска электродвигателя переменного тока;
• в управлении двигателем постоянного тока;
• входные выпрямители для инверторов;
• для контроля температуры (например, для печей, химических процессов);
• в системах управления скоростью вращения электродвигателя переменного тока;
• прерыватели постоянного тока;
• для индукционного нагрева;
• источники бесперебойного питания;
• при электросварке и др.

Тиристоры востребованы во всех отраслях промышленности. Полупроводниковые приборы являются важнейшим элементом силовых схем, выступают в качестве электронного ключа для замыкания и размыкания электрической цепи.