Ех, знали б ви, як занудно й потворно читав нам електротехніку викладач в інституті. Тему про тиристори: принципи роботи, пристрій та їх перевірку бубонів собі під ніс, малював на дошці графіки, PN переходи з дірками та електронами так, що зрозуміти його було дуже складно.

Щоб підготуватися до іспиту, мені довелося купувати підручники та розбиратися самостійно. У заліковку отримав п’ятірку, але предмет був швидко забутий…

Буквально за рік після випуску на посаді інженера довелося розбиратися з роботою тиристорної схеми. Знання поновлював практично з нуля.

Допомогли колеги, що показали зручні методики, що позбавили всіх цих високонаукових хитрощів і дозволили представляти складні електротехнічні процеси простими схемами.

Користуюся ними й досі. Оскільки вони не втратили своєї актуальності, то поетапно розкриваю їхню технологію для різних випадків практичної діяльності нижче.

Тиристор в електричній схемі: що це за напівпровідник

Якщо скористатися науковими термінами, можна помітити, що конструкція цього складного електронного приладу включає монокристал напівпровідника з трьома чи великою кількістю pn переходів.

Вони зроблені для того, щоб змінювати його провідність до двох критичних станів, коли він:

1. Відкритий та пропускає через себе електричний струм.
2. Повністю закритий.

Для підключення до електричної схеми він забезпечений, як правило, трьома, двома або чотирма висновками контактних майданчиків pn шарів.

Не далі продовжуватиму цю тему науковою мовою, бо новачки нічого не зрозуміють, а мені складно пояснити простими термінами, як переміщуються носії зарядів (дірки та електрони) по всій цій структурі в кожному конкретному випадку.

Та й нікому це зараз не треба, окрім студентів, які прагнуть скласти іспит, і працівників, які проектують, розробляють нові пристрої.

Домашньому електрику потрібно просто розуміти принцип роботи кінцевого приладу, щоб вміти перевіряти його справність і грамотно експлуатувати в повсякденному житті. Якщо потрібна швидка перевірка проводки та вузлів керування, дивіться окремо про діагностику електрики.

Тому показую кінцевий результат — як виглядає вольт амперна характеристика тиристора під час його роботи.

На ній виділені дві області робочого стану при прямому та зворотному додатку напруги, що формують п’ять режимів, розписаних на картинці. Не вдаватимемося глибоко в теорію і зробимо собі короткі висновки:

1. на початковому етапі області прямих зміщень напівпровідник закритий, потім відкривається і залишається відкритим;
2. при зворотному підключенні до джерела напруги спочатку не пропускає струм, але з досягненні критичного стану пробивається.

Практична порада електрика: перед будь-якою перевіркою тиристора переконайтеся, що на вузлі немає напруги, а в щитку справні захисні елементи. Якщо є підозра, що «вибиває» автомат або ПЗВ, спочатку перевірте захист і ланцюги живлення — так ви відсієте 80% помилкових діагнозів.

Як виглядає і позначається тиристор на електричних схемах

Сучасна промисловість використовує величезний асортимент цих унікальних напівпровідників. Вони випускаються в різних корпусах з можливостями передачі та комутування різноманітних потужностей.

Наводжу зовнішній вигляд лише невеликої частини, що виготовляються в металевому корпусі, призначеному для роботи в силових ланцюгах з великими струмами.

А ще є конструкції, що випускаються у пластиковому корпусі, що дозволяє комутувати струми менших величин. Вони застосовуються у схемах управління різних побутових пристроїв.

Зовні тиристор виглядає як діод.

Тільки в більшості випадків він має додатковий висновок для підключення до зовнішнього ланцюга – електрод, що управляє. Позначення на схемі теж приблизно однакове.

Зміна стосується лише невеликої домальовки катодного виводу — невеликої ламаної лінії. Все це добре видно у порівнянні.

Зовнішній вигляд діодів та тиристорів, а також їх позначення на схемах схожі не випадково. Вони хоч і трохи відрізняються конструктивно, але працюють за загальним принципом: пропускають електричний струм лише в один бік.

Це питання я викладаю далі конкретніше.

Як просто зрозуміти принципи роботи та наукові терміни цього складного напівпровідника: 2 мневмонічні правила

Заповідь №1 для новачка

Припустимо, що ми сплавляємося на великому плоту широкою річкою. Рухатися ми можемо лише за течією, а чи не проти нього. Потік води переміщається за рахунок різниці висот (потенціалів), що мають різний рівень потенційної енергії.

Ось і струм у діоді може проходити лише в один бік: від анода до катода. Інше рух електронів блокує напівпровідниковий перехід. Інших засобів регулювання тут немає.

Все це повністю відповідає роботі тиристора, але з невеликими доповненнями: діод відразу відкривається при прямому додатку напруги до його висновків.

Тиристор у цьому випадку закритий, струм не проводить. Він діє як гребля зі шлюзами, що загороджує річку. Наш пліт просто зупиниться перед перешкодою, що виникла. Для відновлення руху йому необхідно відчинити ворота водяного загородження.

Робиться все це за командою, коли імпульс струму певного напрямку подається через електрод, що управляє, наприклад, на анод (при відповідному управлінні).

Тільки в цьому випадку закритий напівпровідниковий перехід відкривається і зберігає свій стан протягом усього часу, поки на нього подано пряму вхідну напругу.

Якщо імпульс струму зникає, це впливає працювати напівпровідникового переходу: він залишається відкритим. Для закриття тиристора необхідно: розірвати ланцюг живлення будь-де або вивести з роботи джерело напруги або надійно зашунтувати анод з катодом.

Ось таке просте мневмонічне правило, засноване на порівнянні гідравлічних та електротехнічних процесів, дозволяє легше працювати з цим складним електронним виробом.

Заповіт №2: особливості застосування тиристорів усередині ланцюгів постійного та змінного струму

Внутрішній опір напівпровідникових переходів у відкритому стані досить невеликий. Струм через нього визначається за законом Ома , а при прикладеному постійному напрузі за величиною він не змінюється.

Схема управління тиристором у разі не дозволяє коригувати його силу. Регулювати її потрібно іншими засобами.

Імпульс струму, що подається за допомогою керуючої команди, регулюється до безпечного значення підключеним струмообмежуючим резистором R.

Робиться це виключення пробою шару напівпровідників, задіяних у протіканні керуючого сигналу.

Як працює тиристор у схемі побутових приладів на змінному струмі

Інші перспективи створюють змінні ланцюги, а особливо синусоїдальні джерела напруги. У них сигнал має не строго постійну величину, а форму синусоїди, що змінюється в часі. Якщо ви працюєте з мережею, корисно мати під рукою інструкцію як перевірити напругу в мережі мультиметром, щоб не плутати «немає живлення» з «не відкривається тиристор».

Тут кожен період коливання складається з двох напівперіодів:

1. позитивного;
2. негативного.

Вони мають свої знаки на графіку: плюс і мінус. Реально при зміні напівперіоду напрям протікання струму змінюється на суворо протилежне.

Коли синусоїда досягає нульової амплітуди, то струм через напівпровідниковий перехід припиняється, він закривається. Для відновлення процесу необхідно на наступному позитивному напівперіод знову подати імпульс на керуючий електрод.

Все це відбувається автоматично. Одночасно усунення положення відкриває імпульсу за часом (у кутовий системі вимірювання – по фазі) дозволяє регулювати силу струму за рахунок зміни моменту відкриття переходу.

Включення другого тиристора з відповідною полярністю в нижню напівхвилю дозволяє регулювати її величину. Тоді ми отримуємо не чисту синусоїдальну форму, а трохи обрізану за часом (до моменту включення імпульсу, що управляє).

3 варіанти такого сигналу показані на нижньому графіку вихідного струму при відкритті двох тиристорів у моменти:

1. зростання напівхвилі;
2. на її амплітуді;
3. та при спаді.

Таким обрізаним, а не суто синусоїдальним струмом живиться наш електроінструмент: дрилі, перфоратори, болгарки та інші прилади з тиристорним або симісторним управлінням.

Загалом нічого страшного в подібній зміні форми сигналу немає: всі виробники провели масу експериментів і запустили цю схему в експлуатацію.

Нам все це необхідно чітко уявляти, бо при ремонті або налагодженні за допомогою осцилографа такі сигнали напруги необхідно простежити на контрольних точках електричного ланцюга.

Випрямляючі пристрої з регулюванням струму – другий принцип роботи

Схеми зарядних, пускозарядних приладів та зварювальних апаратів постійного струму працюють на випрямленій напрузі. При цьому часто пристрої випрямлення типового діодного моста замінюється трансформаторне перетворення однофазного сигналу з двома діодами або тиристорами.

Її прийнято називати двонапівперіодним випрямленням.

Тут у кожній вихідній напівобмотці силового трансформатора вмонтовано тиристор, який обробляє свою напівхвилю.

Випрямлення досягається схемою підключення напівобмоток із загальною точкою і вибором напрямку підключення ланцюга «анод-катод» кожного напівпровідникового приладу.

Підсумкова форма випрямленого та зміненого сигналу виглядає наступним чином.

Знову ж таки, для порівняння з попереднім принципом показую форму сигналів у трьох варіантах запуску фазозсувного керуючого імпульсу. Тут видно, що негативний напівперіод перекинувся, а робота схеми керування не змінилася.

Правило №3: відмінності управління транзистором та тиристором

У мене так вийшло, що спочатку довелося практично освоювати електронні схеми, що працюють на транзисторах, а тільки після них — тиристорні зборки.

Тому я спочатку збагнув і запам’ятав, що вихідний сигнал на транзисторі можна змінювати за рахунок величини різниці потенціалів на його базі, тобто напругою.

Мої ж друзі роз’яснили, що тиристорна схема, як правило, відкривається струмом, що протікає через електрод, що управляє.

Таке невелике доповнення до викладеного матеріалу новачкам варто запам’ятати. А щоб зрозуміти різницю між силою електричного струму і величиною напруги, що діє, я написав дві окремі статті.

Рекомендую ознайомитись з ними докладніше. Вони також викладені простою мовою.

Як перевірити тиристор: 3 доступні методики для новачків

Принцип цієї технології я показуватиму на прикладі силового тиристора КУ202Н з однієї простої причини: він опинився під рукою при написанні статті, а все потужніші моделі я примудрився роздати друзям для їх саморобок.

Способи електричних перевірок показуватиму на його прикладі. Для цього публікую важливі характеристики, які треба враховувати під час роботи. Вони поділяються на дві групи:

1. граничні;
2. номінальні.

Параметри першої категорії відносяться до імпульсного режиму, який використовується короткочасно. Вони нас не цікавлять: тривалу експлуатацію можуть створити лише номінальні показники.

Звертаємо увагу на:

1. Максимально допустима напруга – 400 В;
2. Постійний струм у відкритому та закритому стані – 10 А;
3. Струм утримання – 200 мА;
4. Постійний струм, що відпирає, — 100 мА.

Ці дані для інших напівпровідникових приладів можна взяти в технічних довідниках та численних сайтах в мережі інтернет.

Симптом у схемі	Ймовірна причина (тиристор)	Як перевірити швидко	Що робити
Навантаження не вмикається, але живлення є	Не відкривається (нема керуючого імпульсу / обрив електрода керування)	Перевірка мультиметром у режимі діода/опору + короткий імпульс на керуючий електрод	Перевірити керування, доріжки, контакт; за потреби — заміна тиристора
Постійно «включено», не вимикається	Пробій анод-катод (постійна провідність)	Опір А–К малий у двох полярностях; лампа світиться без керування	Тиристор під заміну; перевірити причину пробою (перевантаження)
Гріється, запах, нестабільна робота	Перевищення струму / поганий тепловідвід / неправильний режим	Оцінка струму навантаження та падіння напруги; перевірка контактів	Нормалізувати струм, охолодження; див. як уникати перевантаження електромереж
Вибиває автомат/захист під час запуску	Коротке А–К або помилка у схемі керування	Спочатку перевірити захист: як перевірити справність автомата, потім — тиристор	Локалізувати КЗ; за потреби — аварійний виклик електрика
Немає напруги на вузлі, «все мертве»	Проблема не в тиристорі: живлення/контакт/щиток	Перевірити напругу в точках, розетках, щитку	Див. сценарій що робити якщо згасло світло

Перший метод перевірки: стрілочним тестером або цифровим мультиметром

Оцінка стану справності КУ202Н приладом Ц4324 за 3 кроки

Такий раритетний вимірювальний інструмент старого електрика маю досі в робочому стані. Він зберігся завдяки знаку якості та постійної уважності при вимірах.

Крок №1. Виставлення режиму та замір закритого стану переходу

Встановлюю центральним перемикачем режим вимірювання опорів та кнопкою – межа «кілооми». Плюсовий виведення цешки сажу на анод, а мінусовий підключаю до катода.

Для наочності помітив їх на фотографії яскравим червоним кольором “+” і “-” прямо на ізоляції крокодилів.

Вимірювальна стрілка показує дуже великий опір. Воно ж буде за зворотної полярності висновків. Можете перевірити.

Крок №2. Відкриття тиристора

Торканням руки підключаю виведення електрода, що управляє, на корпус (анод) напівпровідника.

Стрілка різко відхиляється до початку шкали у бік меншого опору. Показ порядку 0,15 k свідчить про відкриття np переходу.

Крок №3. Перевірка відкритого стану під час зняття керуючого сигналу

Відводжу провід виведення від корпусу напівпровідника та спостерігаю показання стрілки.

Воно не змінилося: перехід зберіг своє відкрите становище. Він справний.

Перевірка стану КУ202Н цифровим мультиметром

Принципових відмінностей аналізу тиристорних пристроїв немає. Технологія та сама. Показую її фотографіями на прикладі мого мультиметра кишенькового Mestek MT-102.

Для першого кроку перекладаю його в режим перевірки напівпровідників і підключаю крокодилами прилад.

На дисплеї видно, що перехід закритий: великий опір.

Потім перемикаю виведення керуючого електрода на анод. Напівпровідник відкрився.

При перерві перемички показання на дисплеї не змінилися.

Доступний для всіх спосіб перевірки струмом від батарейки та звичайною лампочкою

Ця методика популярна, але вимагає попередньо враховувати технічні характеристики випробуваного приладу і вихідні величини від навантаження, створювані лампочкою.

Для силових транзисторів це критично, але в малопотужних виробів можна нерозрахунковим струмом пошкодити структуру електронних компонентів.

Демонстрацію методики виконуватиму на прикладі конструкції найдоступнішого китайського ліхтарика на світлодіодах та звичайної лампочки. Принципових відмінностей немає при використанні однієї батареї формату АА або ААА.

Про всяк випадок виконав мультиметром замір струму лампочки.

Отримав результат 183 міліампери, що цілком нормально для нашого випадку.

Тепер використовую цей блок батарейок для перевірки. Подаю його плюс на анод, а мінус на катод напівпровідника, що перевіряється через лампочку.

Свічення немає. Це означає, що опір ланцюга, що перевіряється, велике, всі переходи закриті.

Замикаю електрод, що управляє, на корпус приладу — анод.

Лампочка спалахує: прилад відкрився.

Запуск тиристора в роботу можна виконати подачею плюсу напруги від пальчикової батареї на його анод, а мінус необхідно попередньо підключити до електрода, що управляє.

Так рекомендують довідники, але я віддаю перевагу першому способу. Він простіший.

Тепер розмикаю створене підключення. Лапочка не припиняє світитися: струм продовжує текти анод-катод.

Напівпровідник залишився у відкритому положенні, він справний.

Як можна перевірити тиристор на електронній платі без випоювання зі схеми: поради бувалих

Роботу, як і завжди, необхідно виконувати при знятій напрузі. Це робиться не лише з метою безпеки, а й для достовірності результату.

Наступним кроком потрібно вичепити зі схеми плати керуючий електрод. Роз’єднати його можна паяльником або перерізати доріжку ножем.

Я ж проводитиму експеримент на тому самому КУ202Н без плати. Для перевірки потрібно 2 окремі прилади:

1. омметр;
2. мілівольтметр постійного струму.

Їх можна замінити двома мультиметрами або тестерами, що я показую наступними фотографіями. Свій тестер Ц4324 перекладаю в режим вимірювання постійної напруги на межі = 1,2В. Підключаю його до анода та катода.

Mestek MT-102 встановлюю в режим омметра і крокодилами саджу його на висновки напівпровідника так, щоб плюс потрапив на електрод, що управляє, а мінус – на анод.

Стрілка тестера відхилилася праворуч, показуючи значення менше вольта. За цим виміром можна судити про справність напівпровідникового переходу.

Кожна з трьох методик перевірки ґрунтується на принципах роботи тиристорів. Вона враховує перебіг у них струмів через напівпровідникові переходи. При їх виконанні важливо оцінити чотири послідовні етапи: Звичайний закритий стан до отримання команди. Відкриття по команді. Утримання у відкритому стані при відключенні сигналу керуючого.

Паралельно не забувайте перевірити «обв’язку» схеми: контактні з’єднання, стан клем, живлення та захист. Для цього корисні матеріали: принцип дії автоматичного вимикача та заміна/монтаж автоматів (коли причина не в тиристорі, а в захисті або підгорілих контактах).

Які існують різновиди тиристорів: короткі відомості

Розвиток науки та електронних технологій зокрема сприяло створенню великої кількості напівпровідникових приладів із різною структурою шарів та переходів. (Дивіться картинку на початку статті.)

Я відносно детально показав вище структуру та принцип роботи КУ202 та аналогічних тиристорів із трьома висновками. Однак це не повний огляд, а лише окремий випадок, характерний для більшості подібних приладів.

Вони відрізняються за:

• кількості висновків та способу управління;
• провідності;
• режимів роботи;
• швидкодію;
• інших експлуатаційних параметрів.

Кількість висновків

У основний чотиришарової структури може бути створено 2, 3 або 4 контактні відводи для підключення до зовнішньої схеми.

Що таке диністор

Корпуси із двома висновками називають диністорами. Для відкриття цих напівпровідників між анодом та катодом імпульсом подають підвищену напругу.

За принципом роботи динистори бувають:

1. симетричні;
2. несиметричні.

Другий тип при зворотній напрузі (плюс на катоді, а мінус на аноді) завжди закритий. Він поводиться як діод і при аварійному струмі згоряє. Симетричні ж диністори працюють за будь-якої полярності.

Як працює триністор

Така назва закріпилася за тріодними тиристорами (з третім виведенням електрода, що управляє). Частковий випадок цих приладів ми вже розібрали, але на практиці слід враховувати, що подібні вироби можуть випускатися з:

1. Катодним управлінням, коли командний сигнал надходить ланцюгом керуючий електрод — катод.
2. Анодним – той випадок, що показаний на прикладі КУ202.

При перевірці працездатності напівпровідникового переходу слід врахувати його конструкцію, а не бездумно копіювати мою методику або будь-яку іншу взяту з інтернету.

Триністори можуть виконуватися з різними способами закриття:

1. замикаються;
2. незачинені.

Першим для переходу в закритий стан достатньо знизити струм ланцюгом «анод-катод». Другим необхідно подати напругу замикання на електрод, що управляє.

Ще раз хочу підкреслити, що викладена методика перевірки на прикладі КУ202 застосовна для тиристорів з управлінням по аноду.

Види провідностей

На самому початку я порівнював роботу напівпровідників з течією річки та загострив увагу на тому, що через них струм проходить в один бік. Тільки це твердження характерне для більшості, а не всіх випадків.

Однак врахуйте, що є інші конструкції, спеціально створені:

1. з не високою зворотною напругою, які називають зворотно-провідними;
2. без нормування зворотної провідності. Їх застосовують у схемах, що виключають появу зворотної напруги;
3. для пропускання струму в обидві сторони ланцюга анод-катод. Це симетричні тиристори, звані симисторами чи тріаком (від англ – «triac»).

При їх перевірці слід обов’язково враховувати конструктивні особливості електронних переходів.

Триністори найчастіше створюються для роботи у схемі електронного ключа. Вони керують потужним силовим навантаженням за рахунок подачі слабкого сигналу команди через керуючий електрод.

Швидкодія

Цим параметром оцінюють швидкість переходу напівпровідникових виробів із закритого стану у відкритий і навпаки. Він може бути критичний під час роботи складних схем захисту або управління технологічними процесами.

Імпульсний режим роботи

Створено й такі прилади, здатні миттєво реагувати на електротехнічні ситуації, що швидко виникають на складному виробництві. Але у домашньому обладнанні їх не застосовують.

Особливості лавинних тиристорів

Такі конструкції мають лавинну вольт-амперну характеристику. При подачі зворотної напруги розвивається лавинний процес. Така ВАХ:

• стійка до високих перенапруг схеми;
• здатна працювати без додаткових захистів;
• рівномірно перерозподіляє енергію по послідовно підключених напівпровідникових переходів.

Їх використовують у схемах захисту напівпровідникових розрядників та перетворювачів.

Тиристори мають дуже багато різновидів внутрішньої схеми, корпусів та принципів роботи. Перевірка їхнього технічного стану повинна враховувати всі ці особливості.

FAQ