Тиристоры

Тиристоромназывается полупроводниковый приборчетырехслойнойструктуры с тремяр–n переходами, имеющий два устойчивых состояния.

Основное свойство тиристора, обеспечивающее ему широкое применение – это способность находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом. Тиристоры бывают двух типов:динисторыитринисторы.

Динистор- это тиристор с двумя электродами (выводами). Переход динистора из одного состояния в другое производится изменением значения или полярностинапряжения на выводах.

Тринистор– это тиристор, имеющий третий –управляющийэлектрод, который позволяет с помощью небольшогосигнала управления(импульса напряжения) перевести тиристор из закрытого состояния в открытое при неизменном заданном напряжении на основных электродах.

Рассмотрим устройство и принцип действия тиристора с тремя электродами. Он содержит четыре чередующихся слоя с проводимостями pиn, которые образуют три электронно-дырочные перехода 1, 2 и 3 (рис. 4)

Рис. 4. Схема включения тиристора

Поскольку каждый переход обладает вентильными свойствами, электрическую схему тиристора можно представить в виде трех последовательно включенных диодов. Эти диоды связаны между собой таким образом, что дырки из области p1 первого диода могут инжектироваться в область n1 второго диода, а электроны из области n2 третьего диода могут инжектироваться в область p2 второго диода так же, как это имеет место в транзисторах. Анодом тиристора, к которому присоединяют положительный потенциал источника тока, служит крайний левый слой p1, катодом – крайний правый слой n2.

Когда к тиристору приложено напряжение U в прямом направлении, при разомкнутой цепи управления У переходы 1 и 3 открыты, но тиристор заперт средним переходом 2, который включен в непроводящем направлении (обратно). Через тиристор в этом случае проходит весьма малый ток утечки I ут. С увеличением напряжения ток возрастает незначительно, так как он ограничен большим сопротивлением перехода 2. Этот режим называется режимом прямого запертого состояния тиристора. В запертом состоянии сопротивление тиристора очень велико (десятки миллионов Ом) и он практически не пропускает ток. При дальнейшем увеличении напряжения U происходит переход тиристора из одного состояния в другое за очень короткое время, скачком (зажигание тиристора). Это объясняется тем, что по действием сильного электрического поля к коллекторном переходе 2 дырки, инжектированные из области p1 в базовую область n1, проходят этот переход и быстро втягиваются во вторую базовую область p2. Аналогично электроны, инжектированные из области n2 в базовую область p2, проходят через переход 2 и втягиваются в область n1. При этом резко увеличивается число носителей электричества дырок и электронов, проходящих через переход 2. Происходит лавинный пробой этого перехода и резко увеличивается ток, проходящий через тиристор.

Характерной особенностью тиристора является то, что его током можно управлять при помощи управляющего электрода У. Если на электрод У подать положительный потенциал от вспомогательного источника тока, то через переход будет проходить ток управления Iу. При этом электроны будут инжектироваться из слоя n2 в слой p2 и суммарный ток Iу + Iут превысит ток переключения. Это приведет к открытию тиристора, после чего носители электричества будут свободно переходить через все его четыре области.

Чем больше ток Iу управляющего электрода, тем при меньшем напряжении переключается (открывается) тиристор.

После того, как тиристор открылся, он будет удерживаться в открытом состоянии прямым током, проходящим из слоя p1 в слой n1, и управляющий электрод перестает влиять на прохождение тока (его можно отключать).

При приложении к тиристору напряжения в обратном направлении он закрывается переходами 1 и 3 независимо от наличия напряжения на управляемом электроде. При этом через тиристор проходит весьма малый обратный ток утечки, приблизительно равный обратному току закрытых переходов 1 и 3.

Практически тиристор может быть открыт путем подачи импульса тока I_Уна управляющий электрод при любом значении питающего напряжения U, что широко применяется в схемах тиристорного управления.

Таким образом, даже небольшой ток управления Iу приводит к появлению большого основного тока I через тиристор (эффект усиления). Коэффициент усиления по мощности для тиристоров на токи 100…150 А составляет около 10000÷100000 .

Чтобы запереть (выключить) тиристор в течение минимального времени, к нему, как это отмечалось, необходимо приложить обратное напряжение. Выключить тиристор можно и уменьшением прямого тока, но время запирания в этом случае будет большим (< 100 мкс).

Тиристорный усилитель работает в релейном режиме (включено - выключено). Это свойство позволяет использовать его в качестве бесконтактного включающего и выключающего элемента для автоматического управления электродвигателями, муфтами, электромагнитами и другими исполнительными элементами.

Основными параметрами, по которым производится выбор тиристора, являются: номинальный прямой ток, напряжение, обратное напряжение и ток управления.

Характеристики тиристоров: основной характеристикой тиристора является еговольтамперная характеристика, (рис. 5), которая отражает рассмотренные выше процессы и показывает, как зависит ток через тиристор от величины и полярности приложенного напряжения.