3. Тиристоры
Тиристор – полупроводниковый прибор с четырёхслойной структурой р-n-p-n-типа, обладающий в прямом направлении двумя устойчивыми состояниями: включен или выключен, имеющий три или более р-п-переходов. В обратном направлении тиристор обладает только запирающими свойствами, т. е. тиристор – это управляемый диод. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется внешним воздействием на прибор: напряжением (током) или светом (фототиристор). Тиристор по своему принципу работы – прибор ключевого действия: во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, в выключенном – разомкнутому ключу. Тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния цепи, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называются неуправляемыми (динисторами), которые 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. Типичными представителями таких устройств являются управляемые выпрямители (преобразуют переменное напряжение в однонаправленное) и инверторы (преобразуют постоянное напряжение в переменное).
Тиристор (динистор) имеет нелинейную разрывную ВАХ (рисунок ). По горизонтальной оси отложено напряжение между анодом и катодом, а по вертикальной – ток, протекающий через динистор.
Рисунок ….. – Статическая вольтамперная характеристика динистора
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 IЗС 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 (UПР К), а ток – током переключения IПР 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. Все три перехода полупроводниковой структуры включены в прямом направлении и малое напряжение, приложенное к прибору может создать большой ток IОС в открытом состоянии, который определяется только сопротивлением внешней цепи. Динистор сохраняет открытое состояние, пока прямой ток IПР будет больше минимального значения удерживающего тока IУД (точка б на характеристике). При снижении тока до значения IПР< IУД – динистор возвращается скачком в закрытое состояние.
Таким образом, динистор может находиться в двух устойчивых состояниях: участок 1 – характеризуется большим напряжением на приборе (UЗС) и незначительным током (IЗС), который протекает через прибор; участок 3 – малое напряжение на приборе (UОС) и большой ток (IОС). Рабочая точка на участке 2 вольтамперной характеристики находиться не может. Участок 4 характеризует режим динистора, когда к его электродам приложено напряжение обратной полярности. Этот режим определяется запирающими свойствами р-п перехода и имеет такой же вид, как и обратная ветвь кремниевого диода.
На семействе статических вольтамперных характеристик управляемого тиристора изменяемым параметром семейства является значение тока IУ в цепи управляющего электрода. Выключить открытый тиристор можно, сделав прямой ток меньше значения удерживающего тока IУ. 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.