Устройство, принцип работы и ВАХтиристора

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (и более) р-п -переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое, и наоборот.

На рис. 1.23, а приведена обобщенная структурная схема тиристора. Верхняя p -область соединяется с выводом А (анодом), нижняя n – с выводом К (катодом). Внутренние p - и n- области могут снабжаться управляющими выводами У ₁ и У ₂.

При анализе работы тиристор представляют обычно в виде двух взаимодействующих биполярных тран­зисторов (рис. 1.23, б). На рис. 1.23, в приведен схемотехнический эквивалент такого представления. В зависимости от наличия управляющих выводов У_k тиристоры подразделяют на диодные (динисторы), у которых отсутствуют выводы управления, и триодные (тринисторы).

Приложим к структуре (рис. 1.23, а) напряжение питания U _п, смещающее в прямом направлении эмиттерные p-n -переходы 1 и 3 транзисторов VT ₁ и VT ₂, образованные крайними областями структуры. При этом средний p-n -переход 2 смещен в обратном направлении, и ток в структуре отсутствует. По мере увеличения напряжения p-n- переход 2 (см. коллекторные переходы транзисторов VT ₁ и VT ₂ на рис. 1.23, в) глубже смещается в обратном направлении и достигает напряжения электрического пробоя.

При этом появляются коллекторные токи транзисторов, причем ток I _К1 = I _Б2 и ток I _К2 = I _Б1. Это приводит к еще большему увеличению коллекторных токов. В структуре развивается лавинообразный процесс, приводящий к насыщению транзисторов VT ₁ и VT ₂. Напряжение между выводами анода и катода тиристора снижается и ток достигает значения тока нагрузки I _н ≈ U _п/ R _н.

Описанному процессу соответствует ВАХ при токе управления I _У = 0, представленная на рис. 1.24. На ней можно выделить несколько характерных областей: 0 а (0 ≤ u (t) ≤ U _от0) – прямое непроводящее состояние тиристора (область большого сопротивления), аб – область отрицательного сопротивления, бв (i (t) ≥ I _уд) – включенное состояние тиристора (область малого сопротивления), 0 д (0 ≥ u (t) ≤ | U _проб|) – область обратного непроводящего состояния.

Напряжение U _от называют напряжением включения (отпирания) тиристора (динистора). Отметим, что участок отрицательного сопротивления является неустойчивым, поэтому прибор способен скачком переходить с участка 0 а на участок бв ВАХ и обратно, т.е. тиристор может быть использован в качестве электронного ключа. Для выключения прибора необходимо либо уменьшить его ток I _a до величины, меньшей тока удержания I _уд, либо уменьшить напряжение питания U _п до нуля.

Отметим разновидность тиристоров, обратная ветвь ВАХ которых подобна характеристике прямо смещенного диода (участок 0 г ВАХ, см. рис. 1.24). Это достигается введением в структуру дополнительного встречно включенного диода.

Тринистор отличается от динистора наличием управляющего вывода У, к которому подключается управляющее напряжение U _У. При этом через базу одного из транзисторов структуры протекает управляющий ток I _У, приводящий к уменьшению напряжения U _от0. В зависимости от того, через базу какого из транзисторов структуры протекает ток, различают управление тиристором по катоду (используется вывод У ₁) или по аноду (используется вывод У ₂) (см. рис. 1.23, а). На процессы переключения это не оказывает существенного влияния.

Тринистор чаще всего используют как управляемый электронный ключ. При этом внешнее напряжение (U _п, см. рис. 1.23, а) выбирают меньшим, чем напряжение U _от0. Поэтому при отсутствии управляющего напряжения U _У (тока I _У) тринистор надежно заперт (участок 0 а ВАХ). При появлении управляющего тока (например, I _У2, см. рис. 1.24) напряжение включения U _от2 снижается и тринистор переходит во включенное состояние (участок бв ВАХ). После этого управляющий ток может быть отключен, но тринистор будет находиться во включенном состоянии до момента снижения его тока менее I _уд или снижения напряжения питания U _п менее U _от0. Таким образом, для включения тринистора могут использоваться короткие импульсы тока.

Среди разновидностей отметим так называемые запираемые> тиристоры, способные переходить из включенного состояния в выключенное при подаче соответствующего сигнала управления, и симметричные тиристоры, ВАХ которых симметрична относительно начала координат.

Симметричные тиристоры строят на пятислойной структуре и выполняют как с управляющим выводом (такой прибор называют симистором или диак). Данный тип прибора используют для коммутации нагрузки в цепях переменного тока.

На рис. 1.25 приведены условные графические обозначения тиристоров: динистор (а), симметричный динистор – диак (б), тринистор с управлением по катоду не запираемый (в) и запираемый (д), тринистор управляемый по аноду не запираемый (г) и запираемый (е), симистор (ж).