6. Тиристоры
Тиристор– это полупроводниковый прибор, имеющий четырехслойнуюp‑n‑p‑n‑структуру (рис. 1)с тремя последовательнымиp-n-переходами. Тиристор имеет два устойчивых состояния в прямом направлении и запирающими свойствами в обратном направлении.
Рис.
2. Двухтранзисторная схема замещения
тиристора, α– коэффициент усиления
транзистора
Рис.
1. Четырехслойная структура тиристора
Крайние области структуры соответственно pиn-эмиттеры, а области, примыкающие к среднему переходу (П2),pиn-базы. Эмиттерные электроды являются силовыми и называются катодом и анодом. ПереходП1является эмиттерным или катодным, переходП2– коллекторным, а переходП3– эмиттерным или анодным.
Структуру тиристора можно представить в виде схемы замещения (рис. 2), состоящей из двух транзисторов p-n-pиn-p-nтипов. В этой схеме резисторыR1иR2служат для компенсации нелинейной зависимости коэффициентов усиления транзисторовα1 и α2 . Транзисторы включены в схему с образованием внутренней положительной обратной связи, причем при равных коэффициентах усиления ток через схему резко возрастает, если к аноду приложить положительное напряжение, а к катоду – отрицательное.
Тиристор, имеющий выводы только от крайних слоев, называется диодным тиристором или динистором, при дополнительном выводе от одного из средних слоев он называется триодным тиристором или тринистором.
На рис. 3 изображена вольтамперная характеристика диодного тиристора.
Рис. 3. Вольтамперная характеристика
диодного тиристора
На вольтамперной характеристики диодного тиристора участок О-Асоответствует выключенному (закрытому) состоянию тиристора. На этом участке через тиристор протекает ток утечкиIЗКРи его сопротивление очень велико (несколько мегаом). При повышении напряжения до определенной величиныUВКЛ(точкаА) ток через тиристор резко возрастает. Дифференциальное сопротивление в точкеАравно нулю. На участкеА-Бэто сопротивление отрицательное, он соответствует неустойчивому состоянию тиристора. При включении последовательно с тиристором небольшого сопротивления нагрузки рабочая точка перемещается на участокБ-В, соответствующее включенному состоянию тиристора. На этом участке дифференциальное сопротивление тиристора снова положительное. Для поддержания тиристора в открытом состоянии через него должен протекать ток не менееIУД(ток удержания). Снижая напряжение на тиристоре до некоторой величины, можно уменьшить ток до значения, меньшее, чемIУД, и перевести тиристор в выключенное (закрытое) состояние.
Вольтамперная характеристика триодного тиристора (рис. 4), снятая при нулевом токе управляющего электрода (IУ0=0), подобна характеристике диодного тиристора. Рост тока управляющего электрода отIУ0=0доIУ3приводит к смещению вольтамперной характеристике в сторону меньшего напряжения включения (отUВКЛдоUВКЛ3). При достаточно большом токе управляющего электрода, называемом током спрямления, вольтамперная характеристика триодного тиристора вырождается в характеристику обычного диода, теряя участок отрицательного сопротивления.
Для включения триодного тиристора необходимо, снижая напряжение на нем, уменьшать ток через тиристор до значения, меньшего, чем IУД.
Запираемые триодные тиристоры,в отличие от обычных триодных тиристоров, способны переключаться из отпертого состояния в запертое при подаче сигнала отрицательной полярности на управляющий электрод.
Структура запираемого тиристора аналогична структуре обычного триодного тиристора. Способность тиристора к запиранию по управляющему электроду характеризуется коэффициентом запирания.
Симметричные тиристоры (семисторы) имеют пятислойную структуру и обладают отрицательным сопротивлением на прямой и обратной ветвях вольтамперной характеристики. Отпирание семисторов производится посредством сигналов управления, запирание – снятием разности потенциалов между силовыми электродами или изменением их полярности.
Основные параметры тиристоров малой мощности с максимальным средним током в открытом состоянии не более 10 А:
напряжение включения UВКЛ;
ток включения IВКЛ;
удерживающий ток IУД;
напряжение в открытом состоянии UОТКР;
ток в закрытом состоянии IЗКР;
обратный ток IОБР;
динамическое сопротивление в открытом состоянии rДИН– сопротивление, рассчитанное по наклону прямой линии, которая аппроксимирует вольтамперную характеристику в открытом состоянии тиристора;
постоянный отпирающий ток управляющего электрода IУ.ОТ– минимальный постоянный ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое при определенных режимах в цепях основного и управляющего электрода;
импульсный управляющий ток управляющего электрода IУ.ОТ.И– минимальная амплитуда импульса тока управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое при определенных режимах в цепях основных и управляющего электродов;
постоянное отпирающее напряжение на управляющем электроде UУ.ОТ;
импульсное отпирающее напряжение на управляющем электроде UУ.ОТ.И;
соответствующие запирающие напряжения и токи;
время включения и выключения, время задержки, время нарастания, время спада;
минимальный ток в открытом состоянии IОТКР.MIN–минимальный основной ток, при котором гарантируется переключение тиристора из закрытого состояния в открытое;
минимальное напряжение в закрытом состоянии UЗКР.MIN– минимальное основное напряжение тиристора, при котором гарантируется переключение тиристора из закрытого состояния в открытое и сохранение тиристором открытого состояния.
Условное графическое обозначение тиристоров показано на рис. 5.
Примеры условных обозначений основных типов тиристоров – диодные тиристоры: КН102А, КН102И; триодные тиристоры КУ101А, КУ104А, 2У105Г, 2У202Б.
По конструкции тиристоры очень похожи на диоды, а у тринисторов (транзисторных тиристоров) имеется дополнительный (третий) вывод.
Контрольные вопросы
Что такое тиристор, и для чего он используется?
Нарисуйте вольтамперную характеристику тиристора и поясните его работу.
Чем отличается триодный тиристор от диодного?
Чем отличаются запираемые триодные тиристоры от обычных?
Какие параметры имеют тиристоры?