Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Конспект лекций Электроника.doc
Скачиваний:
97
Добавлен:
22.11.2019
Размер:
1.36 Mб
Скачать

Тиристоры Вольт-амперная характеристика и параметры тиристора

Тиристоры (или более полно – триодные тиристоры) представ­ляют собой полупроводни-ковые выпрямительные элементы, способ­ные под действием прямого приложенного напряжения переключать­ся из одного устойчивого состояния в другое. Они предназначены для бесконтактной коммутации (включения и выключения) элект­рических цепей. От других полупроводниковых элементов, которые также могут использоваться в качестве бесконтактных коммутато­ров, тиристоры отличаются чрезвычайно высоким быстродействием (оно исчисляется всего десятками микросекунд) и способностью ком­мутировать токи весьма значительной величины (вплоть до 1000 А). Тиристоры оформлены так же, как и обычные выпрямительные дио­ды. Однако они снабжены не двумя, а тремя выводами. Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.

На вольт-амперной характеристике тиристора (рис. 22) можно выделить пять характерных участков 1–5. Участки 1–3 составляют прямую ветвь, а 4 и 5 – обратную. Сравнение обратных ветвей вольт-амперных характеристик тиристора и выпрямительного диода показывает, что они ничем не отличаются. Если к тиристору прило­жено обратное напряжение, не превосходящее допустимое значение Uобр.mах, тиристор оказывается запертым и ток через него практи­чески не протекает. Это соответствует рабочему участку 4 обратной ветви, которая, так же как и у выпрямительных диодов, характери­зуется весьма малым обратном током Ioбр. Участок 5 не является рабочим и лежит в области недопустимых значений обратного напря­жения, при которых тиристор разрушается вследствие развития пробойных явлений.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики тиристора прин­ципиально отличается от прямой ветви вольт-амперной характери­стики диода. При переходе от обратного напряжения к прямому, когда на анод А тиристора подается положительный потенциал, а на катод К. — отрицательный, тиристор продолжает оставаться запер­тым (участок 1). Незначительный прямой ток, который при этом про­текает через запертый тиристор, обозначают Iзкр. Значение этого то­ка примерно равно значению обратного тока Iобр. При дальнейшем увеличении прямого напряжения Uпр (до значения Uпр. о) тиристор по-прежнему остается запертым. Если при этом ток Iу через управ­ляющий электрод равен нулю, то только при достижении прямым на­пряжением значения Uпр.0 тиристор отпирается: сопротивление и падение напряжения между анодом и катодом резко уменьшаются, а прямой ток возрастает в тысячи раз, практически ограничиваясь лишь сопротивлением внешней цепи (участок 3 вольт-амперной ха­рактеристики). Переключение происходит практически мгновенно, занимая 5—40 мкс. На рис. 22 характеристика переключения ус­ловно изображена штриховой линией 2.

П ри приложенном к управляющему электроду внешнем напряже­нии и при протекании через этот электрод тока IУ1 в направлении, указанном на рис. 22, прямое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние, уменьшается до значения Uпр. 1. Если управляющий ток увеличить еще больше, например, до значе­ния IУ2, то напряжение переключения, в свою очередь, уменьшится еще больше до значения Uпр. 2 и т.д. При некотором значении управ­ляющего тока Iу3 прямая ветвь вольт-амперной характеристики ти­ристора перестает содержать свойственные ей участки 1 и 2 и состо­ит лишь из одного участка 3, превращаясь в прямую ветвь вольт-амперной характеристики выпрямительного диода. Таким обра­зом, тиристор подобен управляемому переключателю, в котором на­пряжение переключения изменяют с помощью управляющего тока.

Открытый тиристор теряет способность закрываться по управля­ющему электроду, и восстановить его запирающие свойства можно одним единственным образом – снизив прямое напряжение до ну­ля или кратковременно подав на него небольшое обратное напряже­ние. В зависимости от конкретного типа тиристора процесс его вы­ключения длится всего 25-250 мкс, т.е. происходит практически мгновенно.

Из рассмотренной вольт-амперной характеристики тиристора видно, что она может быть задана следующими электрическими пара­метрами Iпр.max — предельно допустимый постоянный или средний за период прямой ток; Uпр. о , Uобр. .max – соответственно предельно допустимое прямое и обратное напряжение; Iзкр, Iобр – соответственно прямой и обратный ток утечки запертого тиристора; Iс п, Uс пток и напряжение спрямления, т.е. ток и напряжение управляющего электрода при напряжении, при котором проис­ходит отпирание тиристора (примерно 10 В).

Эти параметры являются справочными и наряду с некоторыми другими (длительность включения и выключения тиристора, мощ­ность, диапазон рабочих температур, масса, размеры и т.п.) приво­дятся в паспортных данных тиристоров.

Следует отметить, что в основу тиристора положена сложная четырехслойная полупроводниковая структура с тремя последова­тельно включенными p-n-переходами. Это определяет разнообразие типов тиристоров, в которых те или иные качества получают с по; мощью особенностей технологии и способов формирования областей спи n-типами проводимости. Изображенное на рис. 22 обозначение и приведенное описание работы соответствуют запираемому в обрат­ном направлении тиристору с управлением по катоду. Кроме тиристоров этого типа, выпускаются незапираемые тиристоры с управле­нием по аноду, запираемые тиристоры с управлением по катоду или по аноду оптотиристоры (управляемые светом), тиристоры с улучшен­ными динамическими характеристиками (быстродействующие с ма­лой длительностью включения и выключения), лавинные тиристоры (с защитой от обратных перенапряжений).

В отличие от незапираемых тиристоров запираемые (рис. 23) могут быть закрыты с помощью управляющего электрода. Для этого через управляющий электрод необходимо пропустить импульс обратного управляющего тока –Iу с очень крутым фронтом и с амплитудой, примерно равной (0,1÷ 0,3) Iпр.

При освещении полупроводника светом происходит разрыв свя­зей электронов со своими атомами и образование электронно-дыроч­ных пар. Если интенсивность света достаточно велика, то энергия электронов и дырок оказывается достаточной для преодоления р-п-перехода и смещения его в прямом направлении. В оптронных ти­ристорах это приводит к возникновению прямого тока Iпр, т.е. к включению тиристора так же, как и при подаче управляющего им­пульса.

В оптоэлектронных тиристорах управление процессом включения осуществляется с помощью луча света, электрическая (гальваничес­кая) связь между входной и выходной цепями отсутствует. Это очень удобно при использовании тиристоров в различных высоковольт­ных установках, так как исключает попадание высокого напряже­ния в устройства управления. В оптоэлектронных (оптронных) ти­ристорах четырехслойная p-n-структура размещена в одном корпу­се со светоизлучающим диодом (рис. 24). Оптоэлектронные тиристо­ры на токи от 6 до 320А выпускаются прижимной, штыревой и таб­леточной конструкций. Прижимные тиристоры (на токи 6 и 10А) привинчиваются к радиатору винтами, штыревые и таблеточные (со­ответственно на токи от 40 до 160А и на токи 250 и 320А) крепятся к радиатору так же, как и выпрямительные диоды штыревой и таб­леточной конструкций.

В табл. 6 приведены основные характеристики некоторых типов тиристоров.

Благодаря широкому разбросу значений параметров у различ­ных типов тиристоров они успешно применяются в устройствах же­лезнодорожной автоматики.

Таблица 6

Тип ти­ристора

Iпр. max, А

Uпр. о/Uобр. max, В

Iзкр/Iобр, мА

Iсп, мА

Uсп, B

P, Вт

T, °C

КУ101А

0,07

50/10

0,3/0,3

0,1–7

0,2–10

0,15

–60÷ +85

2У102А

0,05

50/5

0,1/0,1

0,16

–60÷ +110

КУ201Д

2

100/100

10/10

100

5

15

–60÷ +85

КУ202Г

10

50/50

10/10

100

5

15

–60÷ +85

КУ204Б

2

100/50

5/2

8

–40÷ +85

Т151-100

100

300/300

700

12

–40÷ +85

T 153-800

800

1000/1800

700

12

–60÷ +45

Т02-10

10

100/1000

12

12

–60÷ +45

Симметричные тиристоры (симисторы) и тирис­торы имеют сходный механизм проводимости. Симисторы отличают­ся от тиристоров двусторонней проводимостью. При подаче импуль­са тока управления на управляющий электрод симистора последний включается независимо от полярности анодного напряжения. Вы­ключается симистор так же, как и тиристор (или динистор). В зависимости от устройства управляющего электрода сими­сторы могут управляться им­пульсами тока одной полярности независимо от того, какую по­лярность имеет напряжение, приложенное к основным выво­дам. Перечисленные качества достигаются дальнейшим услож­нением внутренней структуры симистора по сравнению со структурой динисторов или ти­ристоров. Выпрямительный эле­мент симистора имеет пятислой­ную структуру типа п-р-п-р-п, состоящую из четырех р-п-пер еходов. Как прямая, так и обратная ветвь вольт-амперной характеристики симистора (рис. 27) имеют совершенно одина­ковый характер и определяются теми же параметрами, что и прямая ветвь обычного тиристора: Uпр. о, Iзкр, Iпр.max, Uпр.mах и т.д. Различают симисторы средней и большой мощности. Симистор средней мощности типа КУ208А, например, рассчитан на средний прямой ток Iпр.max = 5А и максимально допустимое напряжение в закрытом состоянии Uпр.max = 100В при Iзкр = 5мА. Он оформлен в корпусе штыревой конструкции с максимальным диаметром 21,5 мм и длиной 40 мм. Наряду с этим симистор большой мощности типа ТС171-250, например, рассчитан на прямой ток Iпр.max = 250А и напряжение Iпр.max = 200В. Симистор этого типа также изготовлен в штыревом исполнении. Однако его максимальный диаметр равен 45 мм, а длина –100 мм.

Симисторы применяются в качестве бесконтактных переключате­лей и управляемых вентилей в устройствах автоматики и преобра­зователях электрического тока.