Что такое тиристор и его основные функции
Тиристор — это управляемый полупроводниковый прибор, название которого образовано от греческого слова "thyra" (дверь) и английского "resistor" (сопротивление). Внешне и по некоторым принципам работы он напоминает полупроводниковый диод (см. Диод полупроводниковый), однако его ключевое отличие — возможность управления. Основные задачи тиристоров в электротехнике — это переключение электрических цепей, точное регулирование напряжения и преобразование постоянного тока в переменный. Наиболее распространены две разновидности: динисторы (с двумя выводами) и тринисторы (с тремя выводами).
Устройство и принцип работы тринистора
Тринистор представляет собой кремниевую пластину со сложной четырехслойной структурой, образующей три p-n-перехода. Крайний слой с дырочной проводимостью (p-типа) является анодом, а противоположный слой с электронной проводимостью (n-типа) — катодом. Главная особенность тринистора — наличие третьего вывода (управляющего электрода), подключенного к одному из внутренних слоев.
Работа тринистора основана на ключевом принципе. В исходном закрытом состоянии он не проводит ток. Для его открытия достаточно подать кратковременный импульс напряжения на управляющий электрод. После этого тринистор переходит в проводящее состояние, и через него начинает свободно протекать ток от источника к нагрузке, например, к электродвигателю. Чтобы закрыть прибор и прекратить протекание тока, необходимо разомкнуть цепь или снизить ток ниже определенного уровня (тока удержания).
Преимущества перед электромеханическими реле
Благодаря своему «ключевому» действию, тринисторы успешно заменяют электромагнитные реле (см. реле) для переключения электрических цепей. Полупроводниковые ключи обладают рядом неоспоримых преимуществ: они значительно легче, компактнее и обладают гораздо более высоким быстродействием и надежностью, поскольку в них отсутствуют механические изнашивающиеся контакты. Скорость переключения тиристоров может достигать сотен тысяч раз в секунду, что недостижимо для механических коммутаторов.
Революция в железнодорожном транспорте
Одним из ярких примеров применения тиристоров стала модернизация систем электрификации железных дорог. Раньше для питания двигателей электровозов (см. Локомотив) использовался постоянный ток, что требовало строительства сложных и громоздких выпрямительных подстанций вдоль всей магистрали. Переход на питание переменным током стал возможен именно благодаря установке на современных электровозах компактных и мощных тиристорных преобразователей. Эти устройства эффективно преобразуют переменный ток из контактной сети в постоянный или регулируемый переменный для управления тяговыми двигателями, что привело к значительной экономии и упрощению инфраструктуры.
Широкий спектр применения
Область использования тиристоров чрезвычайно широка. Помимо силовой электроники и тягового привода, они являются ключевыми элементами в современной аппаратуре электрической связи, в высокоскоростных системах дистанционного управления, в вычислительной технике (см. машины) и в различных энергетических установках для управления мощными потоками энергии.