99

Лекция № 13

4. Тиристоры

Тиристором называется четырехслойная полупроводниковая структура, имеющая два или три вывода (рис. 4.1,а,б). Два крайних слоя называются анодом и катодом, а средний слой – управляющим электродом. Средний слой может быть р-типа, как показано на рис. 4.1, а может быть и n-типа. Полупроводниковый прибор, у которого выведено только два электрода, называется динистором, прибор с тремя выводами – тринистором или управляемым диодом. Принцип действия и ВАХ такого прибора могут быть пояснены следующим образом. Представим структуру p-n-p-n в виде двух структур типа p-n-p и n-p-n (рис. 4.2,а,б).

Для этого разрежем два средних слоя по продольной оси, а для сохранения электрического эквивалента соединим средние слои токопроводящей перемычкой. В этом случае получается два разнополярных транзистора, которые имеют внутреннюю положительную обратную связь (ток коллектора VT1 является входным током базы VT2 и наоборот). Если теперь на анод подать плюс, а на катод минус, то эмиттерные переходы будут открыты, а коллекторные закрыты, что соответствует нормальному (усилительному) режиму работы транзисторов. В этом случае ток перехода П₂ может быть найден как сумма токов коллектора VT1 и VT2.

,

где – обратный ток закрытого перехода П₂.

Токи всех трех переходов и внешней цепи должны быть равны, так как это токи одной цепи. Тогда ток анода

.

Учитывая, что , а , получим

или

. (4.1)

В тиристорных структурах база выполняется широкой, поэтому ₁ и ₂ значительно меньше единицы и могут принимать значение порядка 0,1–0,2. Тогда, как видно из (4.1), ток анода будет соизмерим с током и обычно не превышает величину долей миллиампер. Однако с увеличением напряжения на аноде за счет эффекта модуляции базы  возрастает и при некоторой величине напряжения, называемой напряжением открывания (включения) тиристора (₁ + ₂), становится равным единице, и, следовательно, анодный ток стремится к бесконечности (4.1). В открытом состоянии сопротивление структуры очень мало и падение напряжения анод – катод не более 1,5–2 В. Вольтамперная характеристика динистора представлена на рис. 4.3. Для ограничения тока анода при открывании динистора последовательно с ним необходимо включить внешнее сопротивление (рис. 4.4).

В этом случае . Задаваясь значениями и , можно построить нагрузочную прямую, точки пересечения которой со статической ВАХ династора определят значение тока и напряжения в такой цепи (рис. 4.5). Как видно из этого рисунка, при ЭДС происходит в ключение династора и устанавливается ток . При уменьшении ЭДС ток анода будет уменьшаться и при динистор выключится и установится ток , который значительно меньше . Крайние точки на ВАХ А и В называются точками включения и выключения, ток анода в точке В – током удержания, а в точке А – током включения (см. рис. 4.3).

При обратной полярности приложенного напряжения к тиристору эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 (см. рис. 4.2) закрыты, а, следовательно, транзисторы не могут быть открыты и возможен только пробой этих переходов. Поэтому обратная ветвь ВАХ аналогична обычному диоду (см. рис. 4.3).

Величину напряжения включения можно изменять, если менять ток базы одного из транзисторов (см. рис. 4.2). Для этого один из слоев имеет вывод, который носит название управляющий электрод (УЭ) (см. рис. 4.1,б).

Подавая напряжение между УЭ и катодом (рис. 4.6,а) или между УЭ и анодом (рис. 4.6,б), можно изменять напряжение включения в широких пределах. На рис. 4.6,в и 4.6,г показано условно-графическое обозначение таких тринисторов.

Если менять напряжение (ток) управляющего электрода, то можно получить семейство ВАХ, которые имеют разное значение напряжения включения (рис. 4.7). На этом рисунке < < < . Следует отметить, что тринистор, в отличие от транзистора, полууправляемый прибор. Его можно включить, подавая напряжение на УЭ, а отключить с помощью управляющего электрода нельзя. Для выключения необходимо, чтобы анодный ток снизился до значения тока удержания, т.е. необходимо, чтобы избыточные носители в базе рассосались. В настоящее время имеется полностью управляемые тиристоры, но они уступают тринисторам по предельно допустимым параметрам. Поэтому тринистор удобнее использовать в цепях переменного тока, где он сам выключается при отрицательной полуволне переменного напряжения.

В цепях постоянного тока необходимо принудительно выключать («гасить») тринистор. Чаще всего в качестве гасящего элемента используется емкость. Схема емкостного гашения представлена на рис. 4.8. Для включения силового тиристора (Т_с) подается короткий импульс на УЭ этого тиристора. При этом нагрузка (R_н) подключается к источнику питания (U_п), а емкость через гасящее сопротивление (R_г) и открытый Т_с заряжается (полярность указана на схеме). Когда требуется отключить нагрузку от источника питания, подается импульс на УЭ тиристора гашения (Т_г). Тиристор включается и емкость С через открытые тиристоры Т_г и Т_с разряжается. При этом ток разряда I_С протекает встречно току нагрузки I_н и если они равны, то анодный ток становится равный нулю и тиристор Т_с выключится.

В цепях переменного тока для включения и отключения нагрузки необходимо использовать два встречно параллельных тринистора (рис. 4.9), что делает схему дорогой и менее надежной. Для цепей переменного тока были разработаны симметричные тиристоры (симисторы). Структура такого симистора представлена на рис. 4.10.

Как видно из рис.4.10, слева и справа от вертикальной оси (показана на рисунке пунктиром) имеется две четырехслойных структуры n₁–p–n–p и p–n–p–n₂, имеющие общий анод и катод (рис. 4.11). При переменном напряжении включается поочередно один из динисторов и в цепи протекает переменный ток. Если вывести наружу один из слоев р, то можно получить управляемый симистор. Схема включения такого симистора представлена на рис. 4.12.

За счет широкой базы и большой площади переходов динисторы, тринисторы, симисторы имеют значительно большие допустимые напряжения и токи по сравнению с транзисторами. В этом их основное достоинство. Недостатки этих приборов заключаются в том, что это полууправляемые приборы и в цепях постоянного тока требуют дополнительной схемы гашения, что снижает их надежность и делает их более дорогими. Тиристоры и симисторы нашли широкое применение в мощных управляемых выпрямителях, инверторах и преобразователях постоянного напряжения в переменное, а также в устройствах включения и выключения мощных потребителей. Тиристорные силовые контакторы, предназначенные для коммутации двигателей переменного тока, имеют неоспоримые преимущества перед электромеханическими контакторами и широко используются в схемах электроприводов.