Тиристори: визначення, пристрій, фізичні процеси, схеми, як працює

Тиристорами називають напівпровідникові прилади з двома стійкими режимами роботи (включений, вимкнений), що мають три або більше p-n-переходів.

Тиристор за своїм принципом – прилад ключового дії. У включеному стані він подібний до замкнутому ключу, а у вимкненому – розімкненим ключу. Ті тиристори, які не мають спеціальних електродів для подачі сигналів з метою зміни стану, а мають тільки два силових електроди (анод і катод), називають некерованими, або діодними, тиристорами (діністоров). Інакше тиристори називають керованими тиристорами, або просто тиристорами.

Вони є основними елементами в силових пристроях електроніки, які називають також пристроями перетворювальної техніки. Типовими представниками таких пристроїв є керовані випрямлячі (перетворять змінну напругу в односпрямоване) і інвертори (перетворюють постійний струм в змінний). Діністори, як правило, використовуються в слабкострумових імпульсних пристроях.

Існує велика кількість різних тиристорів. Для визначеності спочатку звернемося до так званого керованого по катода незапіраемому тиристору з трьома висновками (два силових і один керуючий), який проводить струм тільки в одному напрямку.

Дамо спрощене зображення структури тиристора (рис. 1.109) і його умовне графічне позначення (рис. 1.110).

Звернемося до найпростішої схемою з тиристором (рис. 1.111), де використані наступні позначення:

ia – струм анода (силовий струм в ланцюзі анод-катод тиристора);

uак- напруга між анодом і катодом;

iy – струм керуючого електрода (в реальних схемах використовують імпульси струму);

uук- напруга між керуючим електродом і катодом;

uпіт- напруга живлення.

Припустимо, що напруга живлення менше так званого напруги перемикання uпеp (Uпит<uпеp) і що після підключення джерела живлення імпульс управління на тиристор не піддавався. Тоді тиристор буде знаходитися в закритому (вимкненому) стані. При цьому p-n-переходи П1 і П3 будуть зміщені в прямому напрямку, а перехід П2 – в зворотному напрямку (див. Рис. 1.109), тому струм тиристора буде малим (ia = 0) і будуть виконуватися співвідношення Uак = Uпит, uR = 0 (навантаження відключена від джерела живлення).

Якщо припустити, що виконується співвідношення Uпит>uпеp або що після підключення джерела живлення (навіть при виконанні умови Uпит<uпеp) був поданий імпульс управління достатньої величини, то тиристор буде перебувати у відкритому (включеному) стані. При цьому всі три переходи будуть зміщені в прямому напрямку і будуть виконуватися співвідношення Uак ~ 1В, ia = Uпит / Rн, uR = Uпит (т. Е. Навантаження виявилася підключеної до джерела живлення).

Існують тиристори, для яких напруга uпеp більше, ніж 1 кВ, а максимально допустимий струм ia більше, ніж 1кА.

При вивченні принципу роботи тиристора дуже важливо зрозуміти, що відбувається в момент його включення і чому перехід П2 у включеному стані зміщений в прямому напрямку. Для відповідних пояснень звернемося до умовного зображення структури тірістоpa (рис. 1.112).

Можна помітити, що така структура відповідає схемі на двох транзисторах (рис. 1.113).

Спочатку розглянемо процес включення тиристора при Uак = uпеp і iy = 0 (так зване включення по аноду), однак такий спосіб включення не рекомендується використовувати на практиці.

Мають місце співвідношення:

i к1 = αст1 · iе1 + iко1iк2 = αст2 · iе2 + iко2 де αст1, αст2, iко1, iко2- відповідно статичні коефіцієнти передачі струмів емітерів і зворотні струми колекторів транзисторів Т1 і Т2.

Позначимо через Ікс загальний зворотний струм p-n-переходу П2, тоді Ікс = iко1 + iко2 Отримаємо Іа = iе1 = iе2 = Iк1 + Iк2 Звідки Іа = αст1 · Іа + αст2 · Іа + iкоiа = Ікс / [1- (αст1 + αст2)]

Як уже зазначалося, коефіцієнти передачі струмів транзисторів змінюються при зміні режимів роботи транзисторів.

При малих токах αст1 + αст2<< 1 і через тиристор протікає струм ia ≈iко. При збільшенні напруги Uак ток i до зростає, і разом з цим зростають коефіцієнти αст1і αст2. При наближенні суми αст1 αст2 до одиниці ток ia різко, стрибкоподібно зростає і тиристор переходить у відкрите (включене) стан, після чого струм в схемі обмежується тільки опором навантаження Rн. Час, протягом якого тиристор переходить у включений стан, складає долі мікросекунди або одиниці мікросекунд (це так зване час включення tвкл).

Так як струми баз транзисторів великі і наближаються за своїми значеннями до струмів колекторів, обидва транз
истора знаходяться в режимі насичення. Це означає, що перехід П2 тиристора зміщений в прямому напрямку.

Процес включення тиристора можна пояснити і не вдаючись до подання тиристора у вигляді двох транзисторів. Але і при такому аналізі висновок залишається тим самим: перехід П2 у включеному стані зміщений в прямому напрямку. Такий стан переходу П2 забезпечується наявністю надлишкової (в порівнянні з вимкненим станом тиристора) концентрацією в шарах n1 і p2 неосновних і основних носіїв електрики. Це означає, що у включеному стані в зазначених шарах є надлишкові заряди.

Діністори, природно, можуть включатися тільки по аноду.

Тепер розглянемо процес включення тиристора при подачі імпульсу управління і за умови, що Uак<uпеp (так зване включення по керуючому електроду). Це рекомендований спосіб включення.

Звернемося до еквівалентної схеми на двох транзисторах (див. Рис. 1.113). Легко побачити, що подача позитивної напруги на керуючий електрод щодо катода викликає поява струму бази транзистора Т2. Це призводить до включення транзисторів еквівалентної схеми, т. Е. До включення тиристора, причому, чим більше струм управління, тим при меншій величині напруги Uак відбувається включення тиристора. Після закінчення імпульсу управління тиристор залишається включеним.

Характерною особливістю розглянутого незапіраемого тиристора, який дуже широко використовується на практиці, є те, що його не можна вимкнути за допомогою струму управління.

Для виключення тиристора на практиці на нього подають зворотна напруга Uак< 0 і підтримують цю напругу протягом часу, більшого так званого часу вимикання tвикл. Воно зазвичай становить одиниці або десятки мікросекунд. За цей час надлишкові заряди в шарах n1 і р2 зникають. Для виключення тиристора напруга живлення uпі тв поступовим зниженням дози (див. Рис. 1.111) має змінити полярність.

Після зазначеної витримки часу на тиристор знову можна подати пряму напругу (Uак> 0), і він буде вимкненим до подачі імпульсу управління.

Тиристор вимикається також в разі, коли зворотна напруга не подається, але струм ia зменшується до деякої малої величини, званої струмом утримання iуд. При цьому напруга на тиристорі збільшується стрибкоподібно. Такий спосіб виключення на практиці використовується рідко, так як час вимикання при цьому виявляється значним.

Існують так звані замикаються тиристори, які можуть бути вимкнені за допомогою струму управління.

Якщо на тиристор подано зворотна напруга Uак< 0, то переходи П1 і П3 зміщуються в зворотному напрямку і через тиристор протікає малий зворотний струм.

Існують і широко використовуються так звані симетричні тиристори (сімістори, Тріаки). Кожен симистор подібний парі розглянутих тиристорів, включених зустрічно-паралельно (рис. 1.114). Дамо умовне графічне позначення сімістора (рис. 1.115).

Ссылка на основную публикацию