1.4. Симметричные тиристоры

Симметричные тиристоры (симисторы) имеют симметричную относительно начала координат ВАХ и могут быть как диодными, так и триодными. Структура симметричного диодного тиристора показана на рисунке 12. Как видно, она состоит из пяти областей с чередующимся типом проводимости и, соответственно, четырех p-n-переходов. Крайние переходы зашунтированы объемными сопротивлениями прилегающих p-областей.

Рис. 13. Вольт-амперная характеристика симистора

Если на такой тиристор подать отрицательное относительно левого вывода напряжение, p-n-переход П₁ окажется смещенным в обратном направлении, а весь ток потечет по шунтирующему сопротивлению области p₁. Переход П₄ при этом будет смещен в прямом направлении, поэтому инжекция электронов будет происходить через него. Таким образом, при такой полярности приложенного напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру p-n-p-n, которая ведет себя так же, как обычный динистор. Поскольку структура на рисунке 12 симметрична, при смене полярности внешнего напряжения мы опять получим аналог динистора. Таким образом, ВАХ симметричного динистора в первой и третьей четвертях координатной плоскости i_а(u_ак) получается симметричной относительно начала координат, как это показано на рисунке 13.

Рис. 12. Структура симметричного

динистора

Рис. 14. Структура симметричного

триодного тиристора, переключаемого управляющим током любой полярности

Симметричные триодные тиристоры бывают двух типов: первый тип способен переключаться из закрытого состояния в открытое управляющим током определенного направления, второй – управляющим током любого направления. В качестве примера на рисунке 14 показана структура симметричного триодного тиристора, переключаемого управляющим током любого направления. В этой конструкции не только основные электроды должны обеспечить шунтирование прилегающих к ним крайних переходов p₁-n₁ и p₂-n₃, но и управляющий электрод должен иметь омический переход как с областью p₁, так и с дополнительной областью n_у. При таком построении тиристора подача потенциала любого знака на управляющий электрод по отношению к ближайшему основному контакту будет либо изменять потенциал p₁-области, либо обеспечивать инжекцию электронов из n_у-области.

1.5. Тиристорный регулятор мощности

Одним из важных применений тиристоров является регулирование мощности в цепях постоянного и переменного тока. Если включить последовательно с нагрузкой R_н и источником постоянного напряжения E реостат, сопротивление которого можно менять от нуля до величины R >> R_н, мощность в нагрузке P_н будет меняться от максимальной почти до нуля:

.

Здесь P₀ = E²/R_н – максимальная мощность для данной нагрузки, а K = P₀/P_н – коэффициент регулирования мощности, который в данном случае равен

и может изменяться в очень широких пределах. Однако КПД такого регулятора будет небольшим, так как значительная часть мощности P, потребляемой от источника, будет рассеиваться в реостате. Действительно,

.

Значительно эффективнее использовать вместо реостата тиристор, который может находиться либо в открытом состоянии, когда падение напряжения на нем невелико (порядка 1 В) и рассеиваемая на нем мощность мала, либо в закрытом состоянии, когда ток через тиристор не течет и рассеиваемая на нем мощность равна нулю. Простейшим регулятором может служить последовательное включение двухоперационного тиристора, источника постоянного напряжения E и сопротивления нагрузки R_н. Если тиристор периодически (с периодом T) открывать на время t_и и закрывать на время t_п, то среднее напряжение на нагрузке составит, очевидно,

,

а выделяемая в нагрузке мощность будет равна

,

где q = T/t_и – скважность управляющих импульсов. Из полученного выражения видно, что коэффициент регулирования данной схемы K = q². При этом рассеиваемая на тиристоре мощность P_т  I_нu_ак, где I_н – средний ток нагрузки, u_ак – падение напряжения на открытом тиристоре. Таким образом, КПД тиристорного регулятора составляет

.

Однооперационный тиристор может использоваться для регулирования мощности только в цепи переменного тока, потому что закрыть его можно только по цепи анода, когда напряжение падает до нуля. При этом симистор включают по такой же схеме, как и показанная на рисунке 10, а тиристор, пропускающий ток только в одном направлении, включают в диагональ диодного моста, как это показано на рисунке 15.

Рассмотрим работу данной схемы при подаче на ее вход гармонического напряжения u₁(t) с амплитудой U₁ и периодом T, пользуясь временными диаграммами, приведенными на рисунке 16. Очевидно, что ток тиристора i_a = |i₁| = |i₂|, причем если тиристор открыт, то u_ак  0, U₂ = U₁, i_a = |u₁|/R_н. Если же тиристор заперт, то i_a = i₁ = i₂ = 0, u₂ = 0, u_ак = |u₁|.

Рис. 15. Тиристорный регулятор мощности

Пусть в управляющий электрод тиристора подаются короткие импульсы тока i_у с амплитудой, большей тока спрямления I_сп, периодом повторения Т/2 и задержкой  относительно нулей входного напряжения (рис. 16, б). Пока тиристор закрыт, падение напряжения на нем u_ак = |u₁|, i_a = i₁ = = i₂ = 0, u₂ = 0 (рис. 16, в–д). В момент прихода управляющего импульса тиристор открывается, после чего u_ак = 0, i_a = |u₁/R_н|, u₂ = u₁. В момент времени t = T/2 входное напряжение и ток i_а падают до нуля и тиристор закрывается по цепи анода, после чего описанный процесс повторяется.

На рисунке 16, д видно, что действующее значение напряжения на нагрузке U_2д определяется выражением

,

где 0 <  < T/2, – действующее входное напряжение. Отсюда следует выражение для мощности, выделяемой на нагрузке:

.

Рис. 16. Временные диаграммы работы тиристорного регулятора мощности

Таким образом, коэффициент регулирования тиристорного регулятора мощности определяется выражением:

и может изменяться от единицы до бесконечности при изменении  от нуля до T/2. Величину

(11)

часто называют углом зажигания тиристора (это название сохранилось с тех пор, когда вместо тиристоров применялись газоразрядные лампы  тиратроны).