Тиристоры

Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более выпрямляющих перехода. Тиристор подобен ключу — два его устойчивых состояния — открытое и закрытое — соответствуют замкнутому и разомкнутому состояниям ключа. Тиристор может переключаться из открытого состояния в закрытое и обратно.

Тиристоры являются основными элементами в силовых устройствах, в частности, в мощных выпрямителях.

Существует большое количество типов тиристоров, различающихся по количеству выводов и по способам управления проводимостью. В простейшем случае тиристор имеет всего два вывода. Такой прибор называют диодным тиристором — динистором. Рассмотрим его внутреннюю структуру (рис. 39,а) и принцип работы.

Рис. 39	л7р1

Структура динистора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимся типом проводимости. Соответственно, динистор имеет три выпрямляющих p-n перехода. Для формирования выводов используются два невыпрямляющих контакта металл-полупроводник. Электрод, расположенный со стороны крайней области с проводимостью n-типа называется анодом, второй электрод называется катодом.

При анализе полупроводниковую структуру, образующую динистор, рассматривают как совокупность двух биполярных транзисторов различной структуры (рис. 39,б). Причем база одного транзистора является коллектором другого, и наоборот. Поэтому средний переход динистора называют коллекторным, крайние — эмиттерными. Кроме того, в динисторе выделяют две эмиттерные области (n- и p- эмиттеры) и две базовые области (n- и p- базы).

Рассмотрим включение динистора в прямом направлении, т. е. при положительном потенциале на аноде. В этом случае эмиттерные p-n переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Так как коллекторный переход смещен в обратном направлении, то в некоторой области напряжений и токов включенный в прямом направлении динистор будет вести себя подобно включенному в обратном направлении диоду. Однако это подобие будет наблюдаться только до некоторого значения приложенного к динистору прямого напряжения.

С увеличением приложенного к динистору прямого напряжения будет увеличиваться прямое напряжение на эмиттерных переходах. Электроны, инжектированные из n-эмиттера в p-базу, диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются его полем и попадают в n-базу. Дальнейшему их движению будет препятствовать небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода. Поэтому часть электронов останется в n-базе и образует избыточный отрицательный заряд. Этот заряд несколько снизит потенциальный барьер правого эмиттерного перехода, что будет способствовать движению дырок через этот переход, т. е. будет наблюдаться увеличение инжекции дырок из p-эмиттера в n-базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в p-базу. Дальнейшему их движению будет препятствовать небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Поэтому часть дырок останется в p-базе и образует избыточный положительный заряд. Этот заряд несколько снизит потенциальный барьер левого эмиттерного перехода, что будет способствовать движению электронов через этот переход, т. е. будет наблюдаться увеличение инжекции электронов из n-эмиттера в p-базу. Таким образом, в динисторе имеются условия для возникновения положительной обратной связи по току, когда увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к возрастанию тока через другой эмиттерный переход.

Накопление носителей в базовых областях равносильно созданию дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить коллекторный переход в прямом направлении. Поэтому с увеличением напряжения на динисторе абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнет уменьшаться. При некотором значении внешнего напряжения высота потенциального барьера коллекторного перехода снижается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении — динистор открывается.

Полная ВАХ динистора показана на рис. 40,а. Закрытое состояние динистора соответствует участку прямой ветви от нулевой точки до точки А — точки переключения. Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на динисторе достигает максимального значения. В закрытом состоянии к динистору может быть приложено большое напряжение, но ток при этом будет оставаться незначительным.

Открытое состояние динистора соответствует низковольтному и низкоомному участку прямой ветви ВАХ. Между участками открытого и закрытого состояний находится участок неустойчивого состояния. В случае малого сопротивления во внешней цепи динистора может наблюдаться переключение динистора из открытого состояния в закрытое и обратно, которое показано на ВАХ пунктирными линиями.

В момент переключения из закрытого состояния в открытое через динистор начинает протекать большой ток, теоретически равный бесконечности (т. к. дифференциальное сопротивление равно нулю). Поэтому ток через динистор должен быть ограничен внешней нагрузкой.

а)	б)
Рис. 40	л7р2

В открытом состоянии динистор будет находиться до тех пор, пока за счет тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах, необходимый для смещения коллекторного перехода в прямом направлении. Если же ток через динистор уменьшится до некоторого значения, меньшего удерживающего тока I_УД, то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество неравновесных носителей заряда в базовых областях динистора, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на выпрямляющих переходах динистора, уменьшится инжекция из эмиттерных областей, и динистор перейдет в закрытое состояние. Следовательно, удерживающий ток — это минимальный ток, необходимый для поддержания динистора в открытом состоянии.

Для схемы, приведенной на рис. 40,б, должно выполняться условие . Когда напряжение на динисторе достигнет напряжения включения, рабочая точка скачкообразно переместится из точки A в точку A' — напряжение на динисторе существенно уменьшится, напряжение (и мощность) на нагрузке возрастет. При снижении тока, текущего через нагрузку и динистор, до уровня удерживающего рабочая точка переместится из точки B в точку B’ — динистор закроется.

При обратном включении динистора его эмиттерные переходы оказываются включенными в обратном направлении и отсутствуют условия для протекания тока. Обратная ветвь ВАХ динистора похожа на соответствующую ветвь ВАХ диода. Обратное напряжение на динисторе ограничено напряжением лавинного пробоя p-n переходов.

Таким образом, динистор переводится в открытое состояние при превышении напряжения на нем некоторого напряжения включения. Для того, чтобы перевести динистор в закрытое состояние, необходимо уменьшить протекающий через него ток до значений, меньших удерживающего тока. Распространенный способ переключения динистора в закрытое состояние — разрывание цепи протекания тока через динистор.

Рис. 41

На рис. 41 показана схема генератора импульсов, построенного с использованием динистора. Период следования импульсов будет определяться временем заряда конденсатора C до напряжения включения динистора. После открывания динистора конденсатор разряжается на нагрузку; ток, определяемый резистором R меньше удерживающего тока — динистор закрывается. Далее цикл повторяется.

На практике наиболее часто используются тиристоры, имеющие три электрода — два основных и один управляющий. Такие тиристоры называют триодными тиристорами (тринисторами) или просто тиристорами. Управление тринистором, т. е. выполнение переключения его в открытое состояние, обычно осуществляют при помощи управляющего электрода. Реже используется управление, аналогичное управлению динистором, без использования управляющего электрода.

а)	б)
Рис. 42

Упрощенная структура тринистора показана на рис. 42,а.

Изображенный на рисунке тринистор может быть переведен в открытое состояние подачей на управляющий электрод импульса, положительной, относительно катода, полярности. Это вызовет увеличение инжекции электронов через левый p-n переход. Из-за наличия положительной обратной связи это приведет к возникновению избыточных зарядов в базах тринистора. Управляющий импульс может быть коротким и иметь незначительную амплитуду. В общем случае требуемая для открывания тринистора амплитуда управляющего импульса связана с напряжением приложенным к тринистору — чем большее прямое напряжение приложено к тринистору, тем меньшее управляющее напряжение требуется. С другой стороны, изменяя величину управляющего напряжения, можно открывать тринистор различным прямым напряжением.

ВАХ тринистора состоит из семейства кривых, определяющих связь между током через тринистор и приложенным к нему напряжением при различных значениях управляющего напряжения (рис. 42,б). Следует отметить, что работа тринистора при постоянном значении управляющего напряжения не характерна. Обычно на управляющий электрод поступает импульс. В этом случае ВАХ, показанные на рис. 42,б, являются малоинформативными.

Способность тринистора открываться при разном прямом напряжении от управляющего напряжения широко используется в регуляторах мощности, изменяющих средний ток в нагрузке. На рис. 43,а представлена схема простого регулятора мощности. Напряжение — переменное, пульсирующее напряжение между катодами диода и тринистора (верхний график на рис. 43,б) назовем питающим. В зависимости от сопротивления переменного резистора тринистор будет открываться при различных значениях питающего напряжения. Средний график на рис. 43,б показывает напряжение на нагрузке при относительно небольшой величине сопротивления . С увеличением этого сопротивления тринистор будет открыт в течение меньшего интервала времени (нижний график на рис. 43,б), что приведет к снижению мощности на нагрузке. Закрывается тринистор при спадании питающего напряжения до нуля.

а)	б)
Рис. 43

Существуют незапираемые и запираемые тринисторы. В незапираемых тринисторах не существует возможность его закрывания при помощи напряжения на управляющем электроде. В запираемых тринисторах подключение к управляющему электроду напряжения обратной по отношению к открывающему полярности приводит к закрыванию тринистора. Этот процесс объясняется отводом из базы, имеющей управляющий электрод, носителей, создающих в ней избыточный заряд. В силу этого происходит смещение коллекторного перехода в обратном направлении и закрытие тринистора. Однако при протекающем через тринистор основном токе, большем некоторого предельного значения, процесс запирания с использованием управляющего электрода становится невозможным.

Рис. 44

В настоящее время существуют и широко используются так называемые симметричные тиристоры: диодные симметричные тиристоры — диаки и триодные симметричные тиристоры — триаки или симисторы. Характерной их особенностью является способность пропускать ток в обоих направлениях — их ВАХ симметричны относительно начала координат. Диак можно считать совокупностью двух включенных встречно-параллельно динисторов, симистор — тринисторов (рис. 44).

Основными характеристиками тиристоров являются максимальный прямой ток, максимальное прямое напряжение, максимальное обратное напряжение, время включения, время выключения, ток управления, ток удержания.

Дата добавления: 2015-07-14