Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый прибор, имеющий четырехслойную p‑n‑p‑n‑ структуру (рис. 1)с тремя последовательными p-n -переходами. Тиристор имеет два устойчивых состояния в прямом направлении и запирающими свойствами в обратном направлении.

Крайние области структуры соответственно p и n -эмиттеры, а области, примыкающие к среднему переходу (П2), p и n -базы. Эмиттерные электроды являются силовыми и называются катодом и анодом. Переход П1 является эмиттерным или катодным, переход П2 – коллекторным, а переход П3 – эмиттерным или анодным.

Структуру тиристора можно представить в виде схемы замещения (рис. 2), состоящей из двух транзисторов p-n-p и n-p-n типов. В этой схеме резисторы R1 и R2 служат для компенсации нелинейной зависимости коэффициентов усиления транзисторов α ₁ и α ₂. 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-А соответствует выключенному (закрытому) состоянию тиристора. На этом участке через тиристор протекает ток утечки I_ЗКР и его сопротивление очень велико (несколько мегаом). При повышении напряжения до определенной величины U_ВКЛ (точка А) ток через тиристор резко возрастает. Дифференциальное сопротивление в точке А равно нулю. На участке А-Б это сопротивление отрицательное, он соответствует неустойчивому состоянию тиристора. При включении последовательно с тиристором небольшого сопротивления нагрузки рабочая точка перемещается на участок Б-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 менее I_УД (ток удержания). Снижая напряжение на тиристоре до некоторой величины, можно уменьшить ток до значения, меньшее, чем I_УД, и перевести тиристор в выключенное (закрытое) состояние.

Вольтамперная характеристика триодного тиристора (рис. 4), снятая при нулевом токе управляющего электрода (I_У0=0), подобна характеристике диодного тиристора. Рост тока управляющего электрода от I_У0=0 до I_У3 приводит к смещению вольтамперной характеристике в сторону меньшего напряжения включения (от U_ВКЛ до U_ВКЛ3). 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 I_УД.

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 U_ВКЛ;

- ток включения I_ВКЛ;

- удерживающий ток I_УД;

- напряжение в открытом состоянии U_ОТКР;

- ток в закрытом состоянии I_ЗКР;

- обратный ток I_ОБР;

- динамическое сопротивление в открытом состоянии r_ДИН – сопротивление, рассчитанное по наклону прямой линии, которая аппроксимирует вольтамперную характеристику в открытом состоянии тиристора;

- постоянный отпирающий ток управляющего электрода I_У.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 I_У.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 U_У.ОТ;

- импульсное отпирающее напряжение на управляющем электроде U_У.ОТ.И;

- соответствующие запирающие напряжения и токи;

- время включения и выключения, время задержки, время нарастания, время спада;

_- минимальный ток в открытом состоянии I_ОТКР.MIN –минимальный основной ток, при котором гарантируется переключение тиристора из закрытого состояния в открытое;

_- минимальное напряжение в закрытом состоянии U_ЗКР.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

1. Что такое тиристор, и для чего он используется?
2. Нарисуйте вольтамперную характеристику тиристора и поясните его работу.
3. Чем отличается триодный тиристор от диодного?
4. Чем отличаются запираемые триодные тиристоры от обычных?
5. Какие параметры имеют тиристоры?