Защо съвременните инвертори използват транзистори, а не тиристори

Тиристорите принадлежат към полупроводникови устройства от p-n-p-n структурата и всъщност принадлежат към специален клас биполярни транзистори, четирислойни, три (или повече) преходни устройства с променлива проводимост.

Тиристорното устройство му позволява да работи като диод, тоест да предава ток само в една посока.

И също като транзистор с полеви ефекти, тиристорни има контролен електрод. Освен това, като диод, тиристорът има една особеност - без инжектиране на миноритарни работещи зарядни носители през контролния електрод той няма да премине в проводящо състояние, тоест няма да се отвори.

Опростен модел на тиристора ни позволява да разберем, че управляващият електрод тук е подобен на основата на биполярен транзистор, но има ограничение, че е възможно да се отключи тиристорът с помощта на тази основа, но той не може да бъде заключен.

Тиристорът, подобно на мощен транзистор с полеви ефекти, разбира се, може да превключва значителни токове. И за разлика от полевите транзистори, мощността с тиристорно превключване може да се измерва в мегават при високи работни напрежения. Но тиристорите имат един сериозен недостатък - значително време за изключване.

За да се блокира тиристорът, е необходимо да се прекъсне или значително намали неговия постоянен ток за достатъчно дълго време, по време на което неравновесните основни носещи работни заряди, двойки електрон-дупки, ще имат време да се рекомбинират или разрешат. Докато токът не бъде прекъснат, тиристорът ще остане в проводящо състояние, тоест ще продължи да се държи така диод.

Схемите за превключване на синусоидален ток осигуряват на тиристорите подходящ режим на работа - синусоидалното напрежение отклонява прехода в обратна посока и тиристорът автоматично се блокира. Но за да се поддържа работата на устройството, е необходимо да се приложи отключващ контролен импулс към контролния електрод във всеки половин цикъл.

В схеми с постоянен ток те прибягват до допълнителни спомагателни вериги, чиято функция е насилствено да намали анодния ток на тиристора и да го върне в заключено състояние. И тъй като носителите на заряда се комбинират, когато са блокирани, скоростта на превключване на тиристора е много по-ниска от тази на мощен транзистор с полев ефект.

Ако сравним времето на пълното затваряне на тиристора с времето на пълното затваряне на транзистора с полев ефект, разликата достига хиляди пъти: на транзистора с полев ефект са необходими няколко наносекунди (10-100 ns), за да се затвори, а на тиристора са необходими няколко микросекунди (10-100 μs). Усетете разликата.

Разбира се, има области на приложение на тиристори, където транзисторите с полеви ефекти не издържат на конкуренция с тях. За тиристорите практически няма ограничения за максимално допустимата комутирана мощност - това е тяхното предимство.

Тиристорите контролират мегават мощност в големи електроцентрали, в индустриалните заваръчни машини превключват токове от стотици ампери, а също така традиционно контролират мегаватни индукционни пещи в стоманодобивни предприятия. Тук транзисторите с полеви ефекти не са приложими по никакъв начин. В импулсни преобразуватели със средна мощност печелят полеви транзистори.

Дългото изключване на тиристора, както беше споменато по-горе, се обяснява с факта, че когато е включен, той изисква да премахне колекторното напрежение и подобно на биполярен транзистор, тиристорът отнема ограничено време, за да комбинира или премахва малцинни носители.

Проблемите, които причиняват тиристорите във връзка с тази особеност, са свързани преди всичко с невъзможността за превключване с висока скорост, както могат да направят полевите транзистори.И дори преди да се приложи напрежението на колектора към тиристора, тиристорът трябва да бъде затворен, в противен случай загубите на мощност при превключване са неизбежни, полупроводникът ще прегрее.

С други думи, ограничаването dU / dt ограничава производителността. Графикът на разсейване на мощността като функция на ток и на време илюстрира този проблем. Високата температура вътре в кристала на тиристора може не само да предизвика фалшива тревога, но и да попречи на превключването.

При резонансните инвертори на тиристорите проблемът със заключването се решава сам по себе си, където скокът на обратна полярност води до заключване на тиристора, при условие че експозицията е доста дълга.

Това разкрива основното предимство на полевите транзистори пред тиристорите. Полевите транзистори са в състояние да работят на честоти от стотици килогерц, а контролът днес не е проблем.

Тиристорите ще работят надеждно на честоти до 40 килогерца, по-близо до 20 килогерца. Това означава, че ако тиристорите се използват в съвременните инвертори, тогава устройства с достатъчно висока мощност, да речем, 5 киловата, биха били много тромави.

В този смисъл полевите транзистори правят инверторите по-компактни поради по-малкия размер и тегло на ядрата на силови трансформатори и дросели.

Колкото по-висока е честотата, толкова по-малък е необходимия размер трансформатори и дросели за преобразуване на една и съща мощност, това е известно на всички, които са запознати с схемата на съвременните импулсни преобразуватели.

Разбира се, в някои приложения тиристорите са много полезни, например димери за регулиране на яркостта на светлинатаработещи с мрежова честота 50 Hz, във всеки случай е по-изгодно да се произвеждат на тиристори, те са по-евтини, отколкото ако там бяха използвани полеви транзистори.

И в заваръчни инверториНапример, по-изгодно е да се използват полеви транзистори, точно поради лекотата на превключване на управлението и високата скорост на това превключване. Между другото, при преминаване от тиристор към транзисторна верига, въпреки високата цена на последния, ненужните скъпи компоненти са изключени от устройствата.