Тиристоры

Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более) p-n- переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов.

В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные (динисторы) и триодные (тринисторы).

Динисторы подразделяют на: запираемые в обратном направлении; роводящие в обратном направлении; и симметричные.

Тринисторы подразделяют на: запираемые в обратном направлении по аноду или катоды; проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; симметричные (двунаправленные). Кроме того, в их состав входит группа выключаемых тринисторов.

Область , в которую попадает ток из внешней цепи, называется анодом, а область – катодом; области , - базами.

Если к аноду подключить плюс источника напряжения, а к катоду – минус, то переходы и окажутся открытыми, а переход - закрытым. Его называют коллекторным переходом.

Так как коллекторный p-n- переход смещен в обратном направлении, то определенного значения напряжения почти всё приложенное напряжение падает на нем. Такая структура легко моет быть представлена в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на рис. 2, б, в.

Рис. 2. Структура динистора (а); структура (б) и схема двухтранзисторного эквивалента динистора (в).

Ток цепи определяется током коллекторного перехода . Он однозначно зависит от потока дырок из эмиттера транзистора p-n-p- типа и потока электронов из эмиттера транзистора n- p-n- типа, а также обратного тока p-n- перехода.

Так как переходы и смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки – из области , электроны – из области . Эти носители заряда, диффундируя в областях баз , приближаются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через p-n- переход. Дырки, инжектированные из -области, и электроны из движутся через переход в противоположных направлениях, создавая общий ток I.

При малых значениях внешнего напряжения всё оно практически падает на коллекторном переходе . Поэтому к переходам имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход , т.е. . При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала меняется незначительно. При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода , все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенном напряжении носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами в области p-n- перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда.

Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область , а электроны – в область . Ток через переход увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам , и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и увеличение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода становится малым.

Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областях динистора, и падение напряжения на приборе становится незначительным. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 3). После переключения воль-амперная характеристика аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию динистора.

Для определения тока, протекающего через динистор, рассмотрим его двухтранзисторную модель (рис. 2, в). Токи коллекторов транзисторов --- и --- типов соответственно равны

где , - обратные токи коллекторных переходов транзисторов VT1, VT2; , - коэффициенты передачи эмиттерного тока.

Так как I = +, то получим:

Тринисторы (рис. 4, а) отличаются от динисторов тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом.

Рис. 4. Тринистор:

а – структура; б – вольт-амперная характеристика; в – характеристики, поясняющие процесс включения; 1 – линия нагрузки

При подачи в цепь управляющего электрода тока управления ток через -- переход увеличивается. Дополнительная инжекция носителей заряда через p-n- переход приводит к увеличению тока на величину :

Изменяя ток, можно менять напряжение, при котором происходит переключение тринистора, и тем самым управлять моментом его включения. Семейство вольт-амперных характеристик тринистора показано на рисунке 4, б. Процесс включения и выключения тиристора поясняет рисунок 4, в.

Отношение амплитуды тока тиристора к амплитуде импульса, выключающего тока управляющего электрода, называется коэффициентом запирания: . Он характеризует эффективность выключения тринистора с помощью управляющего электрода и в ряде разработок составляет 4…7.

Тринисторы с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми.

Симметричные тиристоры (симисторы). В настоящее время выпускаются симметричные тиристоры, у которых вольт-амперные характеристики одинаковые в I и III квадрантах (рис. 5. а). Они выполнены на основе пятислойных структур и носят название симисторов. При подаче на управляющий электрод сигнала одной полярности симисторы включаются как в прямом, так и в обратном направлениях.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика симистора (а); подключение напряжений, обеспечивающих включение тиристоров: с управлением по катоду (б), по аноду (в); управление симистором (г)

Используя участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, можно создавать генераторы релаксационных колебаний (рис. 6, в), принцип действия которых состоит в следующем.

Пока напряжение на тиристоре меньше напряжения переключения (, конденсатор С заряжается через резистор R. Напряжение на нем увеличивается по экспоненциальному закону. При включении тиристора (= конденсатор С быстро разряжается. Когда ток становится меньше , тиристор выключается. Процессы зарядки и разрядки периодически повторяются. Данная электрическая цепь генерирует периодические импульсы экспоненциальной формы.

Основные параметры тиристоров:

1. Напряжение переключения: постоянное - , импульсное - .

2. Напряжение в открытом состоянии - падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии.

3. Обратное напряжение – напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности.

4. Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии - максимальное значении прямого напряжения, при которм не проиходит включения тиристора.

5. Неотпирающее напряжение на управляющем электроде - наибольшее напряжение, не вызывающее отпирания тиристора.

6. Запирающее напряжение на управляющем электроде - напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода.

7. Ток в открытом состоянии - максимальное значение тока открытого тиристора.

8. Ток удержания .

9. Обратный ток .

10. Отпирающий ток управления - наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора.

11. Скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии – максимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии.

12. Время включения - время с момента подачи отпирающего импульса до момента, когда напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 своего начального значения.