Тиристоры. Принцип работы. Применение

Тиристор. Принцип работы

Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более взаимодействующих выпрямляющих перехода, вольт- амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При работе в схеме тиристор может находиться в двух состояниях. В одном состоянии – закрытом – тиристор имеет высокое сопротивление и пропускает малый ток, в другом – открытом – сопротивление тиристора мало и через него протекает большой ток. Структура тиристора состоит из четырёх областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности

Кроме трёх выпрямляющих контактов тиристор имеет два омических пе -рехода. Контакт с внешним p-слоем называется анодом, а с внешним n-слоем – катодом. В зависимости от числа выводов тиристоры делятся на диодные, триод -ные и тетродные. Тиристор, имеющий два вывода, называется динистором, или

диодным тиристором. Тиристоры, имеющие три и четыре вывода, называются триодными или тетродными. Помимо четырёхслойных структур некоторые ви-ды тиристоров имеют большее число полупроводниковых областей. К таким приборам относится симметричный тиристор (симистр), который может вклю-чаться при различных полярностях приложенного напряжения. На рис. 6.1, б p-n-p-n- структура тиристора представлена в виде двух транзисторов, соединённых между собой, каждый из которых находится в активном режиме. В связи с таким представлением крайние области тиристорной структуры называют эмиттерами, а примыкающие к ним p-n-переходы – эмиттерными, цен-тральный переход – коллекторным. Между переходами находятся базовые области.

ТРИОДНЫЕ ТИРИСТОРЫ

Триодный тиристор (тринистор) отличается от ди-нисторов наличием внешнего вывода от одной из баз, с помощью которого можно управлять включением тиристора (рис. 6.3). В триодном тиристоре, имеющем eправляющий электрод от одной из базовых областей, уровень инжекции через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно величивать путём подачи положительного по отношению к катоду напряжения на управляющий элек -трод. Поэтому триодный тиристор можно переключить из закрытого состояния в открытое даже при небольших анодных напряжениях (рис. 6.4). Переключение триодного тиристора с помощью прямого напряжения на управляющем электроде или то -ка через этот электрод можно представить как переход транзисторной n-p-n- структуры в режим насыщения при большом токе базы. При этом коллекторный переход транзисторной структуры (он же и коллекторный пере -ход тиристора) смещается в прямом направлении. На-пряжение включения зависит от управляющего тока.

Симметричные тиристоры (симисторы)

Симметричный тиристор – это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обрат-ном направлении. Структура симметричного тиристора состоит из пяти областей с чередующим-ся типом лектропроводности, которые образуют четыре p-n- перехода. Крайние пе -реходы зашунтированы объёмными сопротивлениями прилегающих областей p-типа (рис. 6.5, а). Вольт-амперные характеристики симистора приведены на рис. 6.5, б.

Исходными материалами для тиристоров являются кремний, а также ар -сенид галлия, имеющие большую ширину запрещённой зоны. Тиристоры, изго -товленные на основе широкозонных полупроводников, имеют большее значе-ние максимальной рабочей температуры, а следовательно, и максимально до-пустимой плотности тока в открытом состоянии, кроме того, напряжение про -боя у них выше, что позволяет делать тиристоры с большими значениями на -пряжения включения и максимально допустимым обратным напряжением. Так как обратный ток невелик через p-n-переходы, смещённые в обратном направ -лении, рассеиваемая мощность в тиристоре значительно меньше при закрытом

состоянии и обратном напряжении. Тиристоры отличаются высокой надёжностью, долговечностью и высо-кой экономичностью. Достоинством тиристора является свойство памяти. При переключении в проводящее состояние он может оставаться в этом состоянии до тех пор, пока ток через него не станет меньше тока включения. Тиристоры широко применяются в радиолокации, устройствах радиосвя -зи, автоматике как приборы с отрицательным сопротивлением, управляемые

ключи, пороговые элементы, преобразователи энергии, триггеры. По сравне -нию с биполярными транзисторами они могут обеспечить большой коэффици-ент по току включения, иметь большой ток и одновременно высокое напряже -ние, что важно для получения хороших характеристик мощных устройств, по-зволяют получить высокий КПД преобразования энергии.

Применение тиристоров

В целом применение тиристоров можно разделить на 4 группы:

силовые ключи – переключатели переменного напряжения. Одним из определяющих моментов, влияющих на востребованность подобных схем, выступает низкая мощность, которая рассеивается тиристором в схемах переключения. В закрытом состоянии мощность практически не рассеивается из-за того, что ток практически равен нулю. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность незначительна благодаря небольшим значениям напряжения

пороговые устройства – в них задействовано основное свойство тиристора – открываться (пропускать ток) при достижении напряжением определенного значения. Эта группа схем особенно активно используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

подключение постоянного тока – для прерывания, включения/выключения используются запирающие тиристоры. Правда, при этом схемы требуют определенной доработки – тиристоры в целом плохо работают в цепях с постоянным током. Но высокая надежность, способность работать с большими по значению токами и напряжениями полностью оправдывают некоторые неудобства

экспериментальные устройства – в них используется свойство тиристора иметь отрицательное сопротивление, пребывая в переходном режиме