Преобразователи энергии - Тиристоры / Тиристоры

Тиристоры

I. Назначение

Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более) р-п-переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов. Они переключают электрические цепи, регулируют напряжение, преобразуют постоянный ток в переменный. По устройству и принципу работы он очень похож на полупроводниковый диод, но в отличие от него тиристор управляемый.

"Ключевой" характер действия тринистора позволяет использовать его для переключения электрических цепей там, где для этой цели до этого служили только электромагнитные реле. Полупроводниковые переключатели легче, компактнее и во много раз надежнее в работе, чем электромагнитные реле с механически замыкаемыми контактами. В отличие от таких реле они производят переключение с очень большой скоростью - сотни и тысячи раз в секунду, а если нужно - еще быстрее. Тринисторы используют в современной аппаратуре электрической связи, в быстродействующих системах дистанционного управления, в вычислительных машинах и в энергетических устройствах.

II. Классификация

В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные и триодные. В диодных тиристорах различают:

• тиристоры, запираемые в обратном направлении;

• проводящие в обратном направлении;

• симметричные.

Триодные тиристоры подразделяют:

• на запираемые в обратном направлении с управлением по аноду или катоду;

• проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду;

• симметричные (двунаправленные).

Наиболее распространены динисторы - тиристоры с двумя выводами и тринисторы - приборы с тремя выводами. Кроме того, различают группу включаемых тиристоров.

Простейшие диодные тиристоры, запираемые в обратном направлении, обычно изготовляются из кремния и содержат четыре чередующихся р- и п-области (рис.2.2). Область р₁, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область п₂ – катодом; области п₁, р₂ – базами.

Рис.2.2. Структура тиристора.

III. Принцип действия

Если к аноду р₁ подключить плюс источника напряжения, а к катоду п₂ – минус, то переходы П₁ и П₃ окажутся открытыми, а переход П₂ – закрытым. Его называют коллекторным переходом.

Так как коллекторный р-п-переход смещен в обратном направлении, то до определенного значения напряжения почти все приложенное падает на нем. Такая структура легко может быть представлена в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на рис. 2.3, а,б.

а) б)

Рис. 2.3. Структура (а) и схема двухтранзисторного эквивалента тиристора (б).

Ток цепи определяется током коллекторного перехода П₂. Он однозначно зависит от потока дырок из эмиттера транзистора р-п-р - типа и потока электронов из эмиттера транзистора п-р-п- типа, а также от обратного тока р-п-перехода.

Так как переходы П₁ и П₃ смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки из области р₁, электроны – из области п₂. Эти носители заряда, диффундируя в областях баз п₁, р₂, приближаются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через р-п-переход. Дырки, инжектированные из р₁-области, и электроны из п₂ движутся через переход П₂ в противоположных направлениях, создавая общий ток I.

При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе П₂. Поэтому к переходам П₁,П₃, имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход П_2­. При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала меняется незначительно. При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода П₂, 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 р-п-перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда.

Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область р₂, а электроны – в область п₁. Ток через переход П₂ увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П₁, П₃, и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и увеличение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода П₂ становится малым.

Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей тиристора, и падение напряжения на приборе становится незначительным. На ВАХ этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис.2.4). После переключения ВАХ аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию тиристора.

Выключение тиристора осуществляется за счет уменьшения напряжения внешнего источника до значения, при котором ток меньше (участок 3).

Рис. 2.4. Вольтамперная характеристика динистора

Если параллельно с тиристором включить диод, который открывается при обратном напряжении, то получится тиристор, проводящий в обратном направлении.

Триодные тиристоры (рис. 2.5,а) отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом.

Рис. 2.5. Триодный тиристор:

Изменяя ток можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом его включения.

Для того, чтобы запереть тиристор, нужно либо уменьшить рабочий ток до значения путем понижения питающего напряжения до значения , либо задать в цепи управляющего электрода импульс тока противоположной полярности.

Процесс включения и выключения тиристора поясняет рис.2.5,в. Если к нему через резистор R приложено напряжение U₁ и ток в цепи управляющего электрода равен нулю, то тиристор заперт. Рабочая точка находится в положении а. Пи увеличении тока управляющего электрода рабочая точка перемещается по линии нагрузки 1. Когда ток управляющего электрода достигнет значения I_y1, тиристор включится, и рабочая точка его переместится в точку b. Для выключения (I_y = 0) необходимо уменьшить напряжение питания до значения . При этом рабочая точка из b₁ перейдет в а₂ и при восстановлении напряжения – в точку а.

Выключить тиристор можно также путем подачи на управляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока.

Недостатком такого включения является большое значение обратного тока управляющего электрода, которое приближается к значению коммутируемого тока тиристора. Отношение амплитуды тока тиристора к амплитуде импульса выключающего тока управляющего электрода называется коэффициентом запирания: . Он характеризует эффективность включения тиристора с помощью управляющего электрода. В ряде разработок

Тиристоры с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми.

IV. Основные параметры тиристоров

1. Напряжение переключения (постоянное -, импульсное - , десятки – сотни В).

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 (единицы – тысячи В).

4. Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии - максимальное значение прямого напряжения, при котором не происходит включения тиристора (единицы – сотни В).

5. Неотпирающее напряжение на управляющем электроде - наибольшее напряжение, не вызывающее отпирания тиристора (доли В).

6. Запирающее напряжение на управляющем электроде - напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы – десятки В).

7. Ток в открытом состоянии - максимальное значение тока открытого тиристора (сотни мА – сотни А).

8. Ток удержания (десятки – сотни мА).

9. Обратный ток (доли мА).

10. Отпирающий ток управления - наименьший ток управления электрода, необходимый для включения тиристора (десятки мА).

11. Скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии – максимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (десятки – сотни В/мкс).

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

13. Время выключения - минимальное время, в течение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение (десятки – сотни мкс).

14. Рассеиваемая мощность (единицы – десятки Вт).

Обозначения тиристоров в соответствии с ГОСТ 10862 – 72 состоят из шести элементов. Первый элемент – буква К, указывающая исходный материал полупроводника; второй – буква Н для диодных тиристоров и У для триодных; третий – цифра, определяющая назначение прибора; четвертый и пятый – порядковый номер разработки; шестой – буква, определяющая технологию изготовления, например КУ201А, КН102И и т.д.