Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы12

Лекция 12.Тиристоры.

Содержание:

• Неуправляемые тиристоры (динисторы)

• Управляемые тиристоры (триодные тиристоры)

• Симметричные тиристоры (симисторы)

Тиристором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами, вольт-амперная характеристика которого содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристоры используются в качестве переключающих приборов, имеющих два стабильных состояния. Тиристор, имеющий два вывода, называют неуправляемым тиристором, или динистором, а тиристор с тремя выводами – управляемым тиристором (триодным тиристором). Имеется большое многообразие тиристоров, однако общим свойством тиристоров с p-n-p-n структурой является регенеративный механизм отпирания, который обусловлен внутренней положительной обратной связью. На вольт-амперных характеристиках таких структур имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления, обусловленный наличием положительной обратной связи.

Неуправляемый тиристор. Принцип работы неуправляемого тиристора рассмотрим на примере p-n-p-n структуры.

Вывод от крайней р-области называется анодом (А), а от крайней n-области – катодом (К) (рис. 12-1 а). Области анода и катода более сильно легированы, чем средние области. При подаче положительного анодного напряжения U_a > 0 первый и третий р-n переходы J₁ и J₃ получают прямое смещение, а средний J₂ – обратное. При повышении анодного напряжения почти все оно падает на среднем переходе J₂.

Динистор можно схематически представить в виде двух транзисторов, разделив мысленно p-n-p-n структуру на связанные между собой p-n-p и n-p-n структуры (рис. 12-1 б). Тогда динистор представляется в виде двух транзисторов Т₁ и Т₂ типа p-n-p и n-p-n соответственно, причем база и коллектор транзистора Т₁ соединены с коллектором и базой Т₂ (рис. 12-1 в).

Для определения зависимости тока через прибор I_a от анодного напряжения U_a используем соотношения между токами первого и второго транзисторов (рис. 12-2):

Анодный ток является током эмиттера транзистора Т₁:

I_a = I_э1. По первому правилу Кирхгофа I_a = I_к1 + I_к2. Для транзистора Т₁ справедливо соотношение

I_к1 = ₁I_э1 + I_к01,

а для транзистора Т₂

I_к2 = ₂I_э2 + I_к02,

где ₁ и ₂ – коэффициенты прямой передачи первого и второго транзисторов соответственно,

I_к01 и I_к02 – обратные токи коллекторных переходов.

Складывая токи I_к1 и I_к2, получим

I_а = ₁I_э1 + ₂I_э2 + I_к01 + I_к02.

Учитывая, что I_э1 = I_э2 = I_а, и обозначая обратный ток перехода J₂ как I_к0 = I_к01 + I_к02, получим уравнение

I_а = ₁I_а + ₂I_а + I_к0.

Решением этого уравнения является соотношение

. (12-1)

Если учесть, что с повышением напряжения на динисторе возможно лавинное умножение носителей в переходе J₂, то формулу 12-1 следует модифицировать, введя коэффициент лавинного умножения М(U₂):

. (12-2)

В соответствии с теорией лавинного пробоя и экспериментом

,

где UM – напряжение лавинного пробоя, а показатель степени n для кремния может варьироваться от 2 до 7.

При анализе формулы 12-2 следует учитывать зависимость коэффициента прямой передачи  от тока эмиттера.

1

Из соотношения 12-2 следует, что ток динистора должен нарастать при приближении напряжения U₂ к напряжению U_M из-за увеличения коэффициента лавинного умножения М (числитель) и уменьшения знаменателя. Знаменатель содержит сумму ₁ + ₂, которая с ростом анодного тока, являющегося током эмиттера как первого, так и второго транзистора, увеличивается (рис. 12-3). Но рост суммы ₁ + ₂ приводит к дальнейшему увеличению I_a. Это ₁ + ₂ обеспечивает положительную обратную связь между силой тока и коэффициентами передачи тока, которая приведет к формированию участка вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Когда сумма ₁ + ₂ стремится к единице, анодный ток формально стремится к бесконечности. На самом деле анодный ток ограничивается сопротивлением нейтральных областей тиристора. Кроме того, последовательно с тиристором следует включать резистор (токоограничительный), который ограничивает анодный ток до значения, меньшего максимально допустимого. Тиристор переходит в открытое состояние, при котором оба транзистора находятся в режиме насыщения. Вольт-амперная характеристика динистора изображена на рисунке 12-4.

₀

_{Итак, при постепенном повышении напряжения от 0 до Uпрк (напряжение переключения) ток остается малым и медленно повышается. При Ua = Uпрк начинается резкое падение напряжения с ростом тока (область отрицательного дифференциального сопротивления). Далее динистор переходит в открытое состояние (состояние «включено»). Начиная с тока удержания Iуд оба транзистора находятся в режиме насыщения, поэтому анодное напряжение равно сумме падения напряжения на р-n переходе эмиттер-база транзистора Т1 ( 0,7 В) и напряжения насыщения коллектор-эмиттер транзистора Т2 (несколько десятых В). Это напряжение медленно возрастает с ростом анодного тока и составляет  1 В. Чтобы тиристор выключился, нужно уменьшить анодный ток ниже тока удержания Iуд .}

_{Управляемые тиристоры (триодные тиристоры)}. Управляемые тиристоры помимо анода и катода имеют третий вывод – управляющий электрод (У). Различают тиристоры с управлением по аноду и катоду (рис. 12-5).

_{Транзисторные модели этих тиристоров изображены на рисунке 12-6.}

_{Выведем уравнение тиристора, управляемого по катоду (рис. 12-5 а). Применяя первое правило Кирхгофа к двухтранзисторной модели (рис. 12-6 а), получим}

I_а = ₁I_э1 + ₂I_э2 + I_к01 + I_к02 и I_э2 = I_а + I_у , кроме того I_э1 = I_а.

Исключая из этих формул I_э1и I_э2, найдем соотношение, описывающее анодный ток:

. (12-3)

Фактически управляющий ток I_у увеличивает не только числитель, но также и ₂, поэтому переключение в открытое состояние происходит при более низком анодном напряжении U_а. Семейство вольт-амперных характеристик тиристора при различных токах I_у управляющего электрода представлено на рисунке 12-7.

В зависимости от тока управляющего электрода тиристор переходит в открытое состояние при различных анодных напряжениях. Минимальный ток управляющего электрода, при котором тиристор переходит в открытое состояние при заданном анодном напряжении, называется током включения. Наименьший ток управляющего электрода, при котором ВАХ спрямляется (кривая 3), называется током спрямления. Чтобы обеспечить ток спрямления для тиристора, управляемого по катоду, достаточно приложить к управляющему электроду небольшой положительный потенциал относительно катода (это напряжение открывания прямосмещенного p-n перехода J₁, примерно равное 0,7 В). Для тиристора, управляемого по аноду, потенциал управляющего электрода ниже потенциала анода на ту же величину.

Симметричные тиристоры (симисторы). Для работы в силовых цепях переменного тока удобны симметричные тиристоры, отличающиеся симметричной ВАХ (рис. 12-8).

Созданы симисторы, способные работать в цепях переменного тока вплоть до токов в несколько килоампер и напряжений десятки киловольт при промышленной частоте 50-60 Гц. При работе на более высоких частотах следует учитывать временные интервалы, характеризующие работу симметричного тиристора как переключательного устройства, а именно времена задержки и нарастания при включении, а так же времена запаздывания и спада при выключении.

Условные графические изображения некоторых видов тиристоров представлены на рисунке 12-9.