1.2. Триодные тиристоры

Рис. 8. Структура триодного тиристора

Рис. 9. ВАХ триодного тиристора

Триодный тиристор помимо анода и катода имеет управляющий электрод. Его структура показана на рисунке 8. В триодном тиристоре уровень инжекции через переход П₃ можно повысить путем подачи на управляющий электрод положительного относительно катода напряжения u_у. Это позволяет переключать тиристор в открытое состояние даже при небольших значениях напряжения u_ак. Вольт-амперные характеристики триодного тиристора приведены на рисунке 9.

Баланс токов триодного тиристора можно записать аналогично выражению (2), однако следует учитывать, что через переход П₃ течет сумма токов – анодного i_а и управляющего i_у:

.

(5)

Таким образом, уравнение триодного тиристора в закрытом состоянии имеет вид

,

(6)

то есть анодный ток i_а зависит от управляющего i_у. Сравнивая это выражение с формулой (3), можно сделать вывод, что подача управляющего тока i_у эквивалентна увеличению обратного тока I_к0, то есть переключение тиристора в открытое состояние в этом случае происходит при меньшем напряжении U_вкл. При определенной величине управляющего тока, называемой током спрямления I_сп, ВАХ тиристора (рис. 9) становится похожей на ВАХ диода. В открытом состоянии через тиристор течет значительный анодный ток, на фоне которого можно пренебречь малым управляющим током, поэтому участок ВАХ триодного тиристора, соответствующий открытому состоянию, практически такой же, как у динистора.

1.3. Ключевой режим работы тиристора

Рис. 10. Схема включения тиристора

Анализ работы тиристора в ключевом режиме проведем с помощью схемы, показанной на рисунке 10. Источник напряжения E > 0 подключен к нагрузке R_н через тиристор VT. Индуктивность L моделирует как собственную индуктивность тиристора, так и индуктивность монтажа. Запишем уравнение 2-го закона Кирхгофа для замкнутого контура схемы:

,

(7)

где u_aк(i_a) – падение напряжения на тиристоре VТ. Стационарное решение этого уравнения должно удовлетворять условию di_а/dt = 0, откуда получим:

.

(8)

Рис. 11. Графическое решение уравнения (8)

Нелинейное уравнение (8) удобно решать графическим методом. Построим на одном графике ВАХ тиристора u_aк(i_a) и нагрузочную прямую u = E - i_аR_н (рис. 11). Очевидно, точки пересечения этих линий и будут являться решениями уравнения (8). Видно, что при i_y = 0 и E < U_вкл имеются три точки пересечения, причем в окрестностях точек A и C дифференциальное сопротивление тиристора r_d положительно, а в окрестности точки B  отрицательно. Точка A соответствует открытому состоянию тиристора, точка C  закрытому. Для того чтобы судить об устойчивости состояний в точках A, B и C, рассмотрим решение уравнения (7) в окрестностях этих точек.

Пусть I_а  значение тока, удовлетворяющее уравнению (8), а i_а  его малое отклонение от значения I_а. Запишем нестационарное уравнение (7) в виде

.

Разлагая зависимость u_aк(i_a) в ряд вблизи точки I_а и ограничиваясь первым членом разложения, получим

или

,

(9)

поскольку из уравнения (8) следует, что u_ак(I_а) = E – I_аR_н.

Решение уравнения (9) имеет вид

,

(10)

где i_а(0)  начальное отклонение анодного тока от положения равновесия I_а.

Из соотношения (10) видно, что при r_д > 0, как это имеет место в окрестностях точек A и C, начальные отклонения затухают. Следовательно, состояния A и C являются устойчивыми (состояние называется устойчивым, если система, выведенная из него внешним достаточно малым возмущением, стремится вернуться в исходное положение. В противном случае состояние называется неустойчивым). При отрицательном дифференциальном сопротивлении, когда r_д + R_н < 0, в окрестности точки B отклонения нарастают с течением времени, то есть состояние B является неустойчивым.

Таким образом, при E < U_вкл и при отсутствии управляющего тока тиристор может находиться в двух устойчивых состояниях  открытом (точка A на рисунке 11) и закрытом (точка C на рисунке 11). Перевести тиристор из закрытого состояния в открытое можно двумя способами:

1. по цепи анода кратковременным увеличением напряжения E до величины E₁ > U_вкл. В этом случае нагрузочная прямая пересекается с ВАХ тиристора только в одной точке (точка A₁ на рисунке 11), то есть тиристор может находиться только в открытом состоянии. Этот способ пригоден как для динистора, так и для тиристора;

1. подав на управляющий электрод положительный импульс тока. При i_y > I_сп (рис. 9) тиристор может находиться только в открытом состоянии (точка A на рисунке 11). Поскольку это состояние является устойчивым, после окончания управляющего импульса тиристор остается открытым.

Итак, переключение тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется импульсом анодного напряжения или управляющего тока. В этом существенное отличие тиристора от транзистора. Для того чтобы удерживать транзистор в открытом состоянии, необходимо постоянно подавать в базу управляющий ток.

Двухоперационный тиристор переводится в закрытое состояние из открытого отрицательным импульсом управляющего тока. Динистор и однооперационный тиристор могут быть заперты только по цепи анода уменьшением напряжения E .до величины E₂ (рис. 11). Действительно, если ток в цепи становится меньше тока удержания I_уд, то единственным устойчивым состоянием тиристора остается закрытое (точка C₂ на рисунке 11).