Принцип действия

Источник Е внешнего питающего напряжения подключен к аноду положительным относительно катода полюсом. Если ток I_у через управляющий электрод триодного тиристора равен нулю, его работа не отличается от работы диодного. В отдельных случаях бывает удобно представить тиристор двухтранзисторной схемой замещения с использованием транзисторов с различным типом электропроводности р–n–р и п–р–п (рис. 1.28,б). Как видно из рис.1.28,б, переход П₂ является общим коллекторным переходом обоих транзисторов в схеме замещения, а переходы П₁ и П₃ – эмиттерными переходами. При повышении прямого напряжения U_пр (что достигается увеличением ЭДС источника питания Е) ток тиристора увеличивается незначительно до тех пор, пока напряжение U_пр не приблизится к некоторому критическому значению напряжения пробоя, равному напряжению включения U_вкл (рис.1.29).

При дальнейшем повышении напряжения U_пр под влиянием нарастающего электрического поля в переходе П₂ происходит резкое увеличение количества носителей заряда, образовавшихся в результате ударной ионизации при столкновении носителей заряда с атомами. В результате ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из слоя п₂ и дырки из слоя р₁ устремляются в слои р₂ и п₁ и насыщают их неосновными носителями заряда. При дальнейшем увеличении ЭДС источника Е или уменьшения сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком ВАХ (рис.1.29) Минимальный прямой ток, при котором тиристор остается во включенном состоянии называется током удержания I_уд. При уменьшении прямого тока до значения I_пр< I_уд (нисходящая ветвь ВАХ на рис.1.29) высокое сопротивление перехода восстанавливается и происходит выключение тиристора. Время восстановления сопротивления p–n-перехода обычно составляет 10…100 мкс.

U

пр

,

В

U

вкл

Iy

=

U

обр

max

мA

I

уд

I

пр

I

ур

,

А

-10

-20

I

обр

,мА

Рис 1.29. Вольт-амперные характеристики и условное обозначение триодного тиристора

Напряжение U_вкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено дополнительным введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу П₂. Эти добавочные носители заряда увеличивают число актов ионизации в р–п-переходе П₂, в связи с чем напряжение включения U_вкл уменьшается.

Добавочные носители заряда в триодном тиристоре, представленном на рис. 1.28, вводятся в слой р₂ вспомогательной цепью, питаемой от независимого источника напряжения. В какой мере снижается напряжение включения при росте тока управления, показывает семейство кривых на рис.1.29.

Будучи переведенным в открытое (включенное) состояние, тиристор не выключается даже при уменьшении управляющего тока I_у до нуля. Выключить тиристор можно либо снижением внешнего напряжения до некоторого минимального значения, при котором ток становится меньше тока удержания, либо подачей в цепь управляющего электрода отрицательного импульса тока, значение которого, впрочем, соизмеримо со значением коммутируемого прямого тока I_пр.

Важным параметром триодного тиристора является отпирающий ток управления I_{у вкл}– ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние. Значение этого тока достигает нескольких сотен миллиампер.

Из рис. 1.29 видно, что при подаче на тиристор обратного напряжения в нем возникает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П₁ и П₃. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении (который выводит тиристор из строя из-за теплового пробоя хода) необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_{обр.макс}.

В симметричных диодных и триодных тиристорах обратная ВАХ совпадает с прямой. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением специальных пятислойных структур с четырьмя p–n-переходами.

В настоящее время выпускаются тиристоры на токи до 3000 А и напряжения включения до 6000 В.

А

А

К

УЭ

К

УЭ

n

n

P

P

N

Ia

-Uвкл

+Uвкл

Uа

б)

в)

а)

Рис.1.30. Структура симметричного тиристора (а), его схематичное изображение (б) и вольт-амперная характеристика (в)

Основные недостатки большинства тиристоров – неполная управляемость (тиристор не выключается после снятия сигнала управления) и относительно низкое быстродействие (десятки микросекунд). Однако в последнее время созданы тиристоры, у которых первый недостаток устранен (запираемые тиристоры могут быть выключены с помощью тока управления).

Симистор (рис. 1.31,а) – это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока.

Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 1.31,в.

Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительного импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно-параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10 А при напряжении до 400 В. Отпирающий ток цепи управления не превышает 0,2 А, а время включения – не более 10 мкс.

А

а)

Рис. 1.31. Структура фотосимистора СИТАК (а) и его схематическое изображение (б)

–

+

Вход

ФД

VD1

VD2

СУ1

СУ2

СИТАК

Выход

К

Вход

+

–

б)

Фототиристоры и фотосимисторы – это тиристоры и симисторы сфотоэлектронным управлением, в которых управляющий электрод заменен инфракрасным светодиодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов является гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи. В качестве примера рассмотрим устройство фотосимистора, выпускаемого фирмой «Сименс» под названием СИТАК (рис. 1.31)

Такой прибор по входу управления светодиодом потребляет ток около 1,5 мА и коммутирует в выходной цепи переменный ток 0,3 А при напряжении до 600 В. Такие приборы находят широкое применение в качестве ключей переменного тока с изолированным управлением. Они также могут использоваться при управлении более мощными тиристорами или симисторами, обеспечивая при этом гальваническую развязку цепей управления. Малое потребление тока цепью управления позволяет подключать СИТАК к выходу микропроцессоров.