Funzione e definizione di tiristore

Il tiristore, noto anche come raddrizzatore controllato in silicio (SCR), è un dispositivo a semiconduttore ampiamente utilizzato nell'elettronica di alimentazione grazie alla sua capacità unica di controllare applicazioni ad alta tensione e ad alta corrente.Operando come un dispositivo semi-controllato, richiede un segnale esterno per attivare ma si basa sulle condizioni naturali del circuito per spegnere.Nel tempo, lo sviluppo dei tiristi ha dato origine a vari dispositivi derivati, tra cui l'interruttore AC Tri-Electrode (TRIAC), il tiristore a commutazione rapida (FST), il tiristore conduttore inverso (RCT) e il tiristore innescato dalla luce (LTT).Nelle applicazioni moderne, i tiristatori svolgono un ruolo importante nei sistemi di trasmissione della corrente continua (HVDC) ad alta tensione, affrontando sfide come le perdite di potenza e la stabilità nei tradizionali metodi di trasferimento di energia CA.

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Composizione strutturale dei tiristori

I tiristi moderni sono principalmente disponibili in due formati strutturali: tipo di bullone e tipo di piastra, entrambi progettati per gestire in modo efficiente la potenza elevata.La struttura interna comprende una configurazione di semiconduttore a quattro strati PNPN con tre giunzioni PN etichettate come J1, J2 e J3.I terminali esterni includono l'anodo (a), il catodo (k) e il gate (g), in cui il gate funziona come terminale di controllo.

Il tiristore di tipo bullone è progettato per una solida dissipazione del calore e facilità di installazione.Il suo anodo a forma di bullone si collega direttamente a un radiatore di alluminio per il raffreddamento naturale.I tiristori a piastra, spesso utilizzati in applicazioni ad alta corrente che superano i 200A, presentano una dissipazione di calore migliorata su entrambi i lati e supportano metodi di raffreddamento avanzato come il raffreddamento dell'acqua o dell'olio.A causa della loro intrinseca perdita di potenza durante il funzionamento, i tiristi devono integrare efficienti meccanismi di dissipazione del calore per mantenere le prestazioni e l'affidabilità.

Principi operativi dei tiristori

I tiristi operano in base all'interazione tra la tensione applicata al loro anodo e al catodo, nonché al segnale applicato al terminale di gate.La loro operazione può essere divisa in quattro stati chiave:

Stato di blocco inverso

In questo stato, viene applicata una tensione inversa all'anodo e al catodo.Indipendentemente dal segnale del gate, il tiristore rimane non conduttivo (OFF).Questo comportamento è simile al blocco inverso di un diodo, in cui la tensione inversa impedisce alla corrente di fluire attraverso il dispositivo.Lo stato di blocco inverso è importante per le applicazioni in cui il tiristore deve bloccare il flusso di corrente nella polarità inversa, garantendo un adeguato controllo unidirezionale nei circuiti.

Stato di blocco in avanti

Quando viene applicata una tensione in avanti all'anodo e al catodo, il tiristore rimane spento a meno che non venga applicato un segnale positivo al terminale del gate.In questo stato, il dispositivo è pronto a condurre, ma richiede che il trigger di gate esterno passa allo stato conduttivo. Lo stato di blocco in avanti è importante per il controllo quando il dispositivo inizia la conduzione, fornendo un meccanismo di gating per la corrente di carico.

Stato di conduzione in avanti

Quando vengono soddisfatte entrambe le condizioni di una tensione di anodo in avanti e di un segnale di gate positivo, il tiristore entra nello stato di conduzione.Una volta attivato, il tiristore continua a condurre fintanto che la corrente dell'anodo rimane al di sopra della soglia di "corrente di tenuta" del dispositivo.A questo punto, il segnale gate perde la sua funzione di controllo.Lo stato di conduzione in avanti evidenzia la natura semi-controllata del tiristore:

• Il dispositivo richiede il segnale di gate solo per l'attivazione iniziale.

• La successiva conduzione è mantenuta dalle condizioni del circuito, non dal segnale di gate.

Questa funzione consente al tiristore di gestire grandi correnti con potenza del gate, rendendola ideale per applicazioni ad alta potenza.

Stato di spegnimento

Per spegnere il tiristore, la corrente dell'anodo deve scendere sotto la soglia di corrente di tenuta.Ciò può essere ottenuto riducendo la tensione dell'anodo a zero, tagliando così il flusso di corrente.Applicazione di una tensione inversa all'anodo e al catodo, costringendo il dispositivo a bloccare inverso.La spegnimento di un tiristore richiede meccanismi di circuiti esterni come la commutazione forzata nei circuiti AC o la attraversamento zero di corrente naturale nei circuiti DC.

Dimostrazione sperimentale

Un semplice esperimento a circuito può dimostrare efficacemente questi principi.Il circuito principale comprende un alimentatore collegato all'anodo e al catodo.Una lampada a incandescenza come carico.E un circuito di controllo con fonte di alimentazione, gate e interruttore.

• Tensione in avanti con gate aperto: Quando l'anodo è collegato al terminale positivo della sorgente di alimentazione e del catodo al terminale negativo attraverso la lampada a incandescenza, la lampada rimane spenta senza un segnale di gate.
• Tensione in avanti con segnale gate: La chiusura dell'interruttore di controllo del gate applica una tensione in avanti al gate, innescando il tiristore.La lampada si illumina, confermando la conduzione.
• Segnale gate rimosso: Una volta condotto il tiristore, l'apertura dell'interruttore del gate non influisce sulla lampada, poiché il tiristore rimane nello stato di conduzione in avanti.
• Tensione inversa applicata: Applicare una tensione inversa tra l'anodo e il catodo arresta il flusso di corrente, spegnendo il tiristore ed estinguendo la lampada.

Comprendere questi principi operativi è fondamentale per la progettazione e l'implementazione di circuiti a base di tiristore in applicazioni come raddrizzatori, inverter e unità motorie.

Varianti di tiristori

I tiristi si sono evoluti in diverse varianti specializzate, ciascuna progettata per soddisfare requisiti di prestazione specifici in diverse applicazioni.Queste varianti offrono un controllo migliorato sul comportamento di commutazione del dispositivo, consentendo una maggiore flessibilità e precisione nella gestione dell'alimentazione.Di seguito sono riportate le diverse varianti dei tiristi e le loro applicazioni:

THIRISTOR TURNO-OFF GATE (GTO)

Il tiristore di svolta del gate (GTO) differisce dai tiristori standard in quanto può essere disattivato applicando un segnale di trigger negativo al gate.A differenza dei tiristatori convenzionali, che richiedono che la corrente scenda a zero per la spegnimento, gli GTO forniscono la possibilità di controllare sia le azioni di accensione che quella di spegnimento, offrendo una maggiore flessibilità nel controllo dell'alimentazione.Ciò rende gli GTO ideali per applicazioni ad alta potenza in cui è necessario un controllo preciso dello stato del dispositivo, nei sistemi in cui il carico deve essere rapidamente acceso e spento.

Gli GTO sono comunemente utilizzati in applicazioni ad alta potenza come il controllo della velocità del chopper, i circuiti inverter, la gestione del carico CC e i sistemi di accensione automobilistica.La loro capacità di gestire grandi correnti e tensioni con un controllo di commutazione preciso li rende preziosi in tali impostazioni.

Tiristore bidirezionale (triac)

Il triac è una variante tiristor che può condurre in entrambe le direzioni, consentendo di gestire efficacemente la corrente alternata (AC).Il triac si comporta come due tiristori collegati in direzioni parallele ma opposte.Richiede un segnale trigger per avviare la conduzione e, una volta attivato, continua a condurre indipendentemente dalla direzione del flusso di corrente.Tuttavia, può spegnere solo quando la tensione da anodo a cathode scende a zero, che si verifica durante il punto di incrocio zero del ciclo CA.

I triaci sono ampiamente utilizzati nei circuiti di commutazione e regolamentazione della tensione di carico CA, compresi i circuiti di oscuramento della lampada e i relè a stato solido.La loro capacità di conduzione bidirezionale li rende particolarmente efficaci nelle applicazioni che richiedono il controllo dei segnali AC.

Tiristore conduttore inverso (RCT)

Il tiristore conduttore inverso (RCT) integra un diodo inverso all'interno della stessa struttura a semiconduttore del tiristore, consentendole di condurre sia correnti in avanti che inversa.La conduzione inversa è naturale, il che significa che il dispositivo può condurre la corrente nella direzione inversa senza la necessità di un ulteriore controllo.Gli RCT mostrano anche un'alta tensione e tolleranza alla temperatura, il che li rende adatti a applicazioni esigenti in cui l'affidabilità e la durata sono importanti.

Gli RCT si trovano comunemente in alimentatori di commutazione, sistemi di alimentazione di transito ferroviario e alimentatori ininterrotti (UPS).La loro robustezza nella gestione dell'alta tensione e la loro capacità di condurre sia correnti in avanti che inversa le rendono preziosi in questi sistemi ad alta potenza e ad alta efficienza.

A commutazione rapida il tiristore (FST)

Il tiristore a commutazione rapida (FST) è progettato per funzionare a velocità molto più elevate rispetto ai tiristori standard.Riducendo i tempi di accensione e di consegna, gli FST consentono operazioni di commutazione più veloci, rendendole ideali per applicazioni ad alta frequenza.Le caratteristiche di commutazione più veloci aiutano a ridurre al minimo le perdite di commutazione, necessarie per gli alimentatori moderni ad alta efficienza.

Gli FST sono utilizzati in sistemi UPS, inverter trifase, circuiti di modulazione della larghezza di impulsi e alimentatori ad ultrasuoni.La loro capacità di accendere e spegnere rapidamente li rende per i sistemi che richiedono funzionamento e precisione ad alta frequenza, come nei controlli di velocità elettronica e convertitori di alimentazione ad alta efficienza.

THIRISTOR SIGILITO DI LUCE (LTT)

Un tiristore innescato dalla luce (LTT) è una variante unica del tiristore che può essere attivato da una sorgente luminosa, piuttosto che da un segnale di gate.Ciò consente l'isolamento elettrico tra il circuito di controllo e il circuito di alimentazione principale.LTTS in genere dispongono di un fotoDetettore che risponde ai segnali di luce per avviare la conduzione.Questa funzione è utile per applicazioni in cui è richiesto l'isolamento elettrico tra i circuiti ad alta potenza e di controllo, migliorando la sicurezza e l'affidabilità.

Gli LTT sono utilizzati nei sistemi di trasmissione, fotocoplessori e sistemi di monitoraggio automatizzati.La capacità di innescare il tiristore con la luce lo rende adatto per il controllo otticamente isolato e le applicazioni di telerilevamento in ambienti ad alta potenza.

Applicazioni dei tiristori

I tiristi, come dispositivi a semiconduttore adattabile, trovano applicazioni in numerosi settori industriali e di consumo.I modelli tradizionali contribuiscono alla stabilizzazione delle tensioni AC e DC, fornendo servizi di rettifica che proteggono gli alimentatori da fluttuazioni e sovraccarichi.Queste caratteristiche sono migliorate dai progressi che facilitano la loro integrazione in diversi sistemi elettrici.

Tiristori bidirezionali specializzati

I tiristatori bidirezionali svolgono un ruolo importante nella precisa regolazione delle velocità del motore CA, aumentando l'efficienza sia nelle macchine industriali che negli elettrodomestici.Sono ampiamente utilizzati nei sistemi di illuminazione, in cui le funzioni di oscuramento migliorano l'efficienza energetica e l'atmosfera.Questo controllo personalizzabile eleva l'esperienza in contesti residenziali e commerciali, evidenziando l'innovazione all'interno dell'Elettronica di potenza.

Ruolo trasformativo dei tiristani GTO

La svolta del gate (GTO) i tiristi eccellono in unità a velocità variabile e attività di commutazione elettronica complesse.La loro capacità di supportare operazioni ad alta velocità ed eseguire comandi di commutazione precisi li rende preziosi nei trasporti e nella produzione.Gestando in modo efficiente le operazioni ad alta frequenza, i tiristori GTO garantiscono un risparmio affidabile per prestazioni e costi, che è importante in questi settori.

Versatilità della conduzione inversa e tipi specializzati

I tiristi che conducono inversa sono progettati per le esigenze di commutazione di potenza in ambienti impegnativi come le centrali elettriche e l'aerospaziale.Questi dispositivi mostrano resilienza in condizioni estreme, mantenendo prestazioni a temperature e pressioni elevate.Allineando l'enfasi del settore sulle soluzioni energetiche sostenibili e robuste, questi tiristori rappresentano principi di durata ed efficienza per le operazioni di missione.

Tiristori innescati in luce in applicazioni all'avanguardia

L'introduzione di tiristi innescati dalla luce segna un salto in avanti nei sistemi ottici e nell'automazione.Queste configurazioni beneficiano della natura rapida e affidabile dei meccanismi di innesco ottici, che riducono il rumore elettronico e migliorano la velocità di risposta.Soprattutto nella produzione automatizzata, dove la precisione e l'affidabilità sono importanti, i dispositivi innescati dalla luce rivoluzionano l'efficienza e l'accuratezza, sottolineando il loro ruolo nel leader dei progressi tecnologici.

Domande frequenti [FAQ]

1. Cosa fa un tiristore?

Un tiristore controlla il flusso di energia elettrica agendo come interruttore.Nonostante sia piccolo e leggero, può gestire tensioni elevate (fino a 6000 V) e correnti (fino a 4500 A), fornendo protezione ai circuiti in applicazioni ad alta potenza.

2. Qual è la differenza tra un SCR e un tiristore?

Un tiristore è un dispositivo a quattro strati realizzato con semiconduttori di tipo P e N, utilizzato per la rettifica e la commutazione.Il SCR (raddrizzatore controllato al silicio) è il tipo più comune di tiristore e in genere viene citato quando si parla di tiristi.

3. Come si rappresenta un tiristore in un diagramma a circuito?

Il simbolo tiristante combina il simbolo del diodo standard con una connessione aggiuntiva di controllo del gate.Questo design mette in evidenza la sua funzione di raddrizzatore e mostra il cancello di controllo che innesca il dispositivo.