Знаете ли вы, что полупроводниковое устройство, называемое тиристором, играет ключевую роль в решении проблемы передачи энергии на большие расстояния от генераторных станций к удаленным потребителям? Традиционная передача переменного тока (AC) часто страдает от значительных потерь энергии и сталкивается с проблемами стабильности и управления. Для передачи энергии на большие расстояния предпочтительным решением является технология Высоковольтного Прямого Тока (HVDC).
В системах HVDC большие количества переменного тока необходимо преобразовывать в постоянный ток с помощью преобразовательных станций. После преобразования постоянный ток передается потребителям. Эту задачу преобразования выполняет специальное полупроводниковое переключающее устройство, известное как тиристор, в частности кремниевые управляемые выпрямители (SCR).
Как работают тиристоры
Вам могут быть знакомы различные полупроводниковые переключающие устройства, такие как диоды и транзисторы. Тиристор работает аналогично этим устройствам. Все эти переключатели изготовлены из кремния, широко используемого полупроводникового материала. Тиристор состоит из четырех чередующихся слоев p-типа и n-типа материалов.
Чтобы понять, почему тиристоры так эффективны, давайте рассмотрим простой транзистор, такой как биполярный переходный транзистор (BJT). Когда мы подключаем основной источник питания, одно из переходов транзистора всегда находится в обратном смещении. Чтобы включить транзистор, мы применяем вторичное напряжение между эмиттером и базой. Это заставляет транзистор проводить. Однако, когда мы убираем это вторичное напряжение, транзистор выключается, так как для поддержания проводимости ему нужен постоянный базовый ток. Эта необходимость в постоянном базовом токе может привести к значительным потерям мощности, особенно в высокомощных приложениях.
В 1950 году Уильям Шокли предложил решение этой проблемы с изобретением тиристора. В отличие от транзисторов, тиристор не требует постоянного вторичного источника питания. После срабатывания он продолжает работать, даже если вторичное питание отключено.
Понимание работы тиристора
Чтобы полностью понять, как работает тиристор, нужно сначала разобраться в концепции зоны истощения и основной операции диода. Чистый кремний имеет очень низкую проводимость, но ее можно увеличить, допируя его примесями n-типа или p-типа. Когда кремний допирован p-типа с одной стороны и n-типа с другой, мы создаем p-n переход, также известный как диод.
На p-n переходе образуется зона истощения из-за естественной миграции электронов. Это создает небольшое отрицательное заряд на p-стороне и небольшое положительное заряд на n-стороне, что приводит к образованию зоны истощения, где нет свободных электронов или дырок. Электрическое поле в этой зоне создает барьерный потенциал, который препятствует дальнейшей миграции электронов.
Когда мы применяем прямое напряжение, превышающее барьерный потенциал, электроны выталкиваются от отрицательного терминала и пересекают p-n переход. Они затем заполняют дырки в p-области. Из-за притяжения со стороны n-области эти электроны продолжают двигаться, что делает диод проводящим. Если мы изменим напряжение на обратное, электроны и дырки удаляются, и диод перестает проводить.
Тиристоры против транзисторов
Тиристор изготовлен путем допирования кремниевой пластины чередующимися материалами p-типа и n-типа. Он имеет несколько зон истощения на своих переходах. Независимо от направления приложенного напряжения, всегда есть хотя бы один переход с обратным смещением. Чтобы сделать тиристор проводящим, используется метод, называемый триггерованием затвора.
Триггерование затвора включает введение электронов в p-область. Подавая вторичное напряжение на затвор и катод, вводится большое количество электронов в p-область. По мере продолжения этого процесса p-область заполняется электронами и фактически превращается в n-область. Это изменение уменьшает зону истощения и позволяет тиристору проводить.
Выключение тиристора
Чтобы выключить тиристор, нужно приложить обратное напряжение. Наиболее эффективный способ достичь этого — использовать LC осциллятор, который обменивается энергией между конденсатором и индуктивностью. Это вызывает колебания напряжения. Если пиковое напряжение LC цепи превышает напряжение, приложенное к тиристору, тиристор испытает это колеблющееся напряжение и выключится в режиме обратного смещения.
Тиристоры имеют решающее значение в технологии HVDC, так как помогают сохранить значительные объемы электрической энергии. Для получения дополнительной информации о полупроводниковых устройствах и их применениях посетите Bostock Electronics.
