Устройство и основные физические процессы. Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выклю­чен)

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выклю­чен), имеющие три или более р-n-переходов.

Тиристор по своему принципу — прибор ключевого действия. Во включенном состоянии он подобен замкну­тому ключу, а в выключенном — разомкнутому ключу. Те тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а име­ют только два силовых электрода (анод и катод), называ­ют неуправляемыми, или диодными, тиристорами (дини-сторами). Иначе тиристоры называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами.

Они являются основными элементами в силовых уст­ройствах электроники, которые называют также устрой­ствами преобразовательной техники. Типичными предста­вителями таких устройств являются управляемые выпрямители (преобразуют переменное напряжение в однонаправленное) и инверторы (преобразуют постоян­ное напряжение в переменное). Динисторы, как правило, используются в слаботочных импульсных устройствах.

Существует большое количество различных тиристо­ров. Для определенности вначале обратимся к так назы­ваемому управляемому по катоду незапираемому тиристо­ру с тремя выводами (два силовых и один управляющий), который проводит ток только в одном направлении.

Дадим упрощенное изображение структуры тиристора (рис. 1.109) и его условное графическое обозначение (рис. 1.110).

Обратимся к простейшей схеме с тиристором (рис. 1.111), где использованы следующие обозначения:

• i_a — ток анода (силовой ток в цепи анод-катод ти­
ристора);

• и_ак — напряжение между анодом и катодом;

• i_y — ток управляющего электрода (в реальных схе­мах используют импульсы тока);

• и_ук — напряжение между управляющим электродом
и катодом;

• и_num — напряжение питания.

Предположим, что напряжение питания меньше так называемого напряжения переключения U_nep (и_пит < U_nep) и что после подключения источника питания импульс уп­равления на тиристор не подавался. Тогда тиристор будет находиться в закрытом (выключенном) состоянии. При этом p-n-переходы П₁ и П₃ будут смещены в прямом на­правлении, а переход П₂ — в обратном направлении (см. рис. 1.109), поэтому ток тиристора будет малым (i_a» 0) и будут выполняться соотношения и_ак» и_пит, u_R» 0 (нагруз­ка отключена от источника питания).

Если предположить, что выполняется соотношение u_nuim>U_пер или что после подключения источника питания

(даже при выполнении условия и_пит< U_пер) был подан им­пульс управления достаточной величины, то тиристор бу­дет находиться в открытом (включенном) состоянии. При этом все три перехода будут смещены в прямом направ­лении и будут выполняться соотношения и_R» и_nuт (т. е. нагрузка оказалась подключенной к источ­нику питания).

Существуют тиристоры, для которых напряжение U_nep больше, чем 1кВ, а максимально допустимый ток i_a боль­ше, чем 1кА.

При изучении принципа работы тиристора очень важ­но понять, что происходит в момент его включения и по­чему переход П₂ во включенном состоянии смещен в пря­мом направлении. Для соответствующих объяснений обратимся к условному изображению структуры тиристо-

Имеют место соотношения:

ра (рис. 1.112). Можно заметить,, что такая структура со­ответствует схеме на двух транзисторах (рис. 1.113). Вна­чале рассмотрим процесс включения тиристора при и_ак = = U_nep и i_у == 0 (так называемое включение по аноду), од­нако такой способ включения не рекомендуется исполь­зовать на практике.

где a_ст1, a_ст2, I_ко1, I_ко2 - соответственно статические коэффициенты передачи токов эмиттеров и обратные токи коллекторов транзисторов Т₁ и Т₂.

Обозначим через Iко общий обратный ток p-n-перехода П2 тогда

получим

Как уже отмечалось, коэффициенты передачи токов транзисторов изменяются при изменении режимов рабо­ты транзисторов.

При малых токах и через тиристор про-

текает ток i_a» I_ko. При увеличении напряжения и_ак ток I_К0 возрастает, и вместе с этим возрастают коэффициенты а_ст1 и а_ст2 При приближении суммы к единице ток

i_a резко, скачкообразно возрастает и тиристор переходит в открытое (включенное) состояние, после чего ток в схе­ме ограничивается только сопротивлением нагрузки R_Н. Время, в течение которого тиристор переходит во вклю­ченное состояние, составляет доли микросекунды или единицы микросекунд (это так называемое время вклю­чения t_вкл).

Так как токи баз транзисторов велики и приближают­ся по своим значениям к токам коллекторов, оба транзи­стора находятся в режиме насыщения. Это означает, что переход П₂ тиристора смещен в прямом направлении.

Процесс включения тиристора можно объяснить и не прибегая к представлению тиристора в виде двух транзи­сторов. Но и при таком анализе вывод остается прежним: переход П₂ во включенном состоянии смещен в прямом направлении. Такое состояние перехода П₂ обеспечивается наличием избыточной (по сравнению с выключенным состоянием тиристора) концентрацией в слоях п₁ и р₂ не­основных и основных носителей электричества. Это озна-

чает, что во включенном состоянии в указанных слоях имеются избыточные заряды.

Динисторы, естественно, могут включаться только по аноду.

откуда

Теперь рассмотрим процесс включения тиристора при подаче импульса управления и при условии, что и_ак< U_nep (так называемое включение по управляющему электроду). Это рекомендуемый способ включения.

Обратимся к эквивалентной схеме на двух транзисто­рах (см. рис. 1.113). Легко увидеть, что подача положитель­ного напряжения на управляющий электрод относитель­но катода вызывает появление тока базы транзистора Т₂. Это приводит к включению транзисторов эквивалентной схемы, т. е. к включению тиристора, причем чем больше ток управления, тем при меньшей величине напряжения и_ак происходит включение тиристора. После окончания импульса управления тиристор остается включенным.

Характерной особенностью рассматриваемого незапи-раемого тиристора, который очень широко используется на практике, является то, что его нельзя выключить с по­мощью тока управления.

Для выключения тиристора на практике на него пода­ют обратное напряжение и_ак< 0 и поддерживают это на­пряжение в течение времени, большего так называемого времени выключения t_выкл. Оно обычно составляет едини­цы или десятки микросекунд. За это время избыточные за­ряды в слоях п₁ и р₂ исчезают. Для выключения тиристора напряжение питания и_nuт в приведенной выше схеме (см. рис. 1.111) должно изменить полярность.

После указанной выдержки времени на тиристор вновь можно подать прямое напряжение (и_ак>0), и он будет вы­ключенным до подачи импульса управления.

Тиристор выключается также в случае, когда обратное напряжение не подается, но ток i_a уменьшается до неко­торой малой величины, называемой током удержания i_yd. При этом напряжение на тиристоре увеличивается скач-

кообразно. Такой способ выключения на практике ис­пользуется редко, так как время выключения при этом оказывается значительным.

Существуют так называемые запираемые тиристоры, которые могут быть выключены с помощью тока управ­ления.

Если на тиристор подано обратное напряжение и_ак <0, то переходы П₁ и П₃ смещаются в обратном направлении и через тиристор протекает малый обратный ток.

Существуют и широко используются так называемые симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, вклю­ченных встречно-параллельно (рис. 1Л14). Дадим услов­ное графическое обозначение симистора (рис. 1.115).