8.5 Тиристоры

Тиристор – полупроводниковый прибор с четырёхслойной структурой р-n-p-n-типа, обладающий двумя устойчивыми состояниями: включен или выключен, имеющий три или более р-п-переходов. Тиристор по своему принципу работы – прибор ключевого действия: во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, в выключенном – разомкнутому ключу. Тиристоры, не имеющие специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния цепи, называются неуправляемыми (динисторами) и используются в слаботочных импульсных устройствах. Тиристоры с управляющим электродом называют управляемыми или просто тиристорами и являются основными элементами в силовых устройствах электроники, которые также называют устройствами преобразовательной техники.

Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой моделируется комбинацией двух обычных транзисторов с различными типами проводимости (рисунок 8.9): транзистора VT1 со структурой р-п-р и транзистора VT2 со структурой п-р-п. У транзистора VT1 переход J1 является эмиттерным, а переход J2 – коллекторным; у транзистора VT2 эмиттерным служит переход J3, а коллекторным – J2. Таким образом, оба транзистора имеют общий коллекторный переход J2, а база каждого транзистора питается коллекторным током другого транзистора.

Рисунок 8.9 – Схематическое устройство полупроводникового прибора с

четырехслойной структурой (а) и представление его в виде

двухтранзисторной схемы (б, в)

Тиристор (динистор) имеет нелинейную разрывную ВАХ (рисунок 8.10). Область вольтамперной характеристики при положительных анодных напряжениях образует прямую ветвь, а при отрицательных – обратную. На характеристике выделяются четыре участка, каждый из которых соответствует особому состоянию четырехслойной полупроводниковой структуры:

1 участок – соответствует закрытому состоянию динистора. На этом участке через динистор протекает небольшой ток I_ЗС прибора в закрытом состоянии. В пределах участка увеличение анодного напряжения мало влияет на ток, пока не будет достигнуто напряжение (точка а характеристики), при котором наступает лавинообразный процесс нарастания тока, и динистор переключается в открытое состояние. Прямое напряжение, соответствующее точке «а» характеристики, называется напряжением переключения (U_{ПР К}), а ток – током переключения I_{ПР К}. Участок 2 – переключения в открытое состояние, когда незначительное увеличение тока сопровождается быстрым уменьшением напряжения на аноде. Сопротивление динистора в пределах участка становится отрицательным. Участок 3 соответствует открытому состоянию прибора. Динистор сохраняет открытое состояние, пока прямой ток I_ПР будет больше минимального значения удерживающего тока I_УД (точка б на характеристике). При снижении тока до значения I_ПР< I_УД – динистор возвращается скачком в закрытое состояние.

Рисунок 8.10 – Статическая вольтамперная характеристика динистора

Динистор может находиться в двух устойчивых состояниях: участки 1 и 2. Рабочая точка на участке 2 характеристики находиться не может. На семействе статических вольтамперных характеристик управляемого тиристора изменяемым параметром семейства является значение тока I_У в цепи управляющего электрода. Выключить открытый тиристор можно, сделав прямой ток меньше удерживающего тока I_У. В цепях постоянного тока это осуществляется пропусканием через открытый тиристор короткого импульса обратного тока, превышающего прямой. Для этой цели используется специальное коммутирующее устройство. Тиристор, работающий в цепях переменного тока, запирается автоматически в момент окончания положительной полуволны основного тока. Этим и объясняется широкое применение тиристоров в устройствах переменного тока – для управления электродвигателями переменного тока, в выпрямителях и инверторах, импульсных схемах и устройствах автоматики.