Тиристоры и симисторы — где они остаются уместнее транзисторов

Тиристор и симистор остаются в силовых схемах там, где нагрузка питается от сети переменного тока, коммутация происходит с частотой сети, а требуемый ток измеряется сотнями и тысячами ампер. Транзисторный ключ в этих условиях не всегда выигрывает: он требует постоянного управляющего сигнала, драйвера с изолированным питанием и защиты от сквозного тока, тогда как тиристор удерживается в открытом состоянии током нагрузки и запирается сам при переходе тока через нуль.

Ниже — чем тиристор отличается от транзисторного ключа по принципу работы, по каким параметрам идёт подбор, в каких схемах он применяется и чем управляется. Позиции собраны в разделе тиристоры и симисторы, транзисторные ключи — в разделе транзисторы.

Чем тиристор отличается от транзисторного ключа

• Включение импульсом, а не уровнем. Тиристор открывается коротким импульсом тока управляющего электрода и остаётся открытым, пока ток через него превышает ток удержания. Управляющая цепь не потребляет мощность всё время открытого состояния.
• Запирание по току нагрузки. Обычный тиристор снимается с проводимости не сигналом управления, а снижением тока ниже тока удержания — в цепи переменного тока это происходит естественно в каждом полупериоде.
• Падение напряжения в открытом состоянии. У тиристора оно составляет порядка 1–2 вольт и слабо зависит от тока, у полевого транзистора определяется сопротивлением открытого канала и растёт с током. На больших токах это даёт тиристору преимущество по нагреву.
• Стойкость к перегрузке. Тиристорные структуры в таблеточном и модульном исполнении выдерживают значительные импульсные токи и нормируются величиной I²t, по которой подбирается защита.
• Односторонняя и двусторонняя проводимость. Тиристор проводит в одном направлении, симистор — в обоих, поэтому в цепи переменного тока один симистор заменяет встречно-параллельную пару тиристоров.
• Ограничение по частоте. Естественная коммутация привязывает тиристор к частоте сети. Схемы с частотой в килогерцы и выше строятся на транзисторных ключах.

Параметры, по которым идёт подбор

• Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии. Выбирается с запасом относительно амплитуды сетевого напряжения с учётом коммутационных выбросов: для сети 400 вольт типовой выбор — приборы на 1200–1600 вольт.
• Средний и действующий ток в открытом состоянии. Паспортные величины приводятся для заданной температуры корпуса, то есть напрямую связаны с выбранным радиатором и условиями охлаждения.
• Ударный ток и величина I²t. Определяют, какой предохранитель способен защитить прибор: защитный элемент подбирается с I²t ниже паспортного значения прибора.
• Критическая скорость нарастания напряжения и тока. Превышение скорости нарастания напряжения приводит к самопроизвольному включению, превышение скорости нарастания тока — к локальному перегреву структуры. Отсюда снабберные цепочки и токоограничивающие дроссели в схеме.
• Ток и напряжение управляющего электрода, ток удержания. Определяют требования к схеме управления и устойчивость открытого состояния при малой нагрузке.
• Исполнение корпуса. Корпуса для монтажа на радиатор, модули с изолированным основанием и таблеточные приборы с двусторонним прижимным охлаждением. Исполнение определяет конструкцию силового блока и способ прижима.
• Тепловое сопротивление переход — корпус. Входит в расчёт радиатора вместе с рассеиваемой мощностью, которая считается по падению напряжения и форме тока.

Сравнение силовых ключей по условиям применения

Схемы, где тиристор остаётся рабочим решением

• Регулирование нагрева. Электрические печи, нагревательные элементы, сушильные камеры: мощность регулируется фазовым способом или включением целых периодов сети. Инерционная нагрузка не требует высокой частоты коммутации.
• Пуск асинхронных двигателей. Устройства плавного пуска строятся на встречно-параллельных тиристорах или симисторах: они работают ограниченное время при пуске, а в номинальном режиме шунтируются контактором.
• Управляемые выпрямители. Звено постоянного тока с регулируемым напряжением, зарядные и возбудительные устройства, электролизные установки. Приборы таблеточного исполнения в этих схемах работают на токах в сотни и тысячи ампер.
• Статические переключатели сети. Переключение между вводами и шунтирование силовых цепей без механического контакта.
• Защитные схемы. Тиристор в роли шунта принудительно замыкает цепь питания при перенапряжении, переводя срабатывание на предохранитель.
• Коммутация переменного тока в приборах. Оптореле и твердотельные реле с симисторным выходом коммутируют нагрузки с гальванической развязкой управляющей цепи.

Чем управляется силовой прибор

• Развязка управляющей цепи. Оптопары и оптотиристорные драйверы передают импульс управления, оставляя слаботочную схему изолированной от сети.
• Формирование импульса. Драйверы и ключи формируют импульс нужной амплитуды и длительности; для индуктивной нагрузки применяется серия импульсов в течение полупериода.
• Привязка к сети. Схема определения перехода напряжения через нуль задаёт момент отсчёта угла открытия; без неё фазовое регулирование не работает.
• Защита от перенапряжений. Снабберная цепочка на основе резистора и конденсатора, варисторы на входе, защитные диоды в цепи управления.
• Обратный диод и выпрямление. Выпрямительные и импульсные диоды в полууправляемых мостах и цепях сброса энергии индуктивности.
• Ограничение скорости нарастания тока. Дроссели в силовой цепи удерживают di/dt в допустимых пределах при открытии прибора.

Частые вопросы

Когда тиристор выгоднее транзисторного ключа? Когда коммутируется переменный ток частоты сети, требуемый ток велик, а регулирование допускает фазовый способ. На таких токах меньшее и слабо зависящее от тока падение напряжения даёт меньший нагрев, а стойкость к перегрузке упрощает защиту.

Почему симистор не применяют в мощных схемах? Двусторонняя структура сложнее по отводу тепла и чувствительнее к скорости нарастания напряжения. В мощных схемах вместо одного симистора ставят два тиристора встречно-параллельно — это даёт лучшее охлаждение и более предсказуемое поведение на индуктивной нагрузке.

Что происходит при индуктивной нагрузке? Ток отстаёт от напряжения, и в момент перехода напряжения через нуль ток может остаться выше тока удержания. Для надёжного открытия подаётся серия импульсов, а для устойчивой работы проверяется скорость нарастания напряжения после запирания.

Как защищать такие приборы? Быстродействующим предохранителем, подобранным по I²t ниже паспортного значения прибора, снабберной цепочкой от скоростных перенапряжений и варистором на входе. Автоматический выключатель общего назначения для защиты полупроводника не годится по времени срабатывания.

Что прислать для подбора? Напряжение и частоту сети, род и характер нагрузки, действующий и пусковой ток, требуемый способ регулирования, условия охлаждения и температуру среды, тип управляющей схемы и годовую потребность.

Что мы делаем

Подбираем тиристоры и симисторы по напряжению, току и условиям охлаждения, проверяем согласование с защитой по I²t, предлагаем аналоги при недоступности позиции и комплектуем схему управления и развязки. Направление описано на странице «Микроэлектроника и компоненты»; сопутствующие позиции — полевые транзисторы, биполярные транзисторы и микросхемы общего назначения для схем управления.

Пришлите напряжение сети, характер и ток нагрузки на micro@tkasiatorg.ru — подберём прибор с запасом по напряжению и току, согласуем защиту и назовём сроки поставки.