Тиристор (от греч. thyra - дверь) является переключающим прибором. Тиристор - полупроводниковый прибор с четырехслойной p-n-p-n-структурой с тремя последовательными p-n-переходами, характеризующийся двумя устойчивыми состояниями в прямом направлении и запирающими свойствами в обратном направлении. Структура диодного тиристора показана на рисунке 1.
Рис. 1 Структура диодного тиристора
Крайние области структуры называются p- и n- эмиттеры, а области, примыкающие к среднему переходу - p- и n-базы. Эмиттерные переходы являются силовыми и называются катодом и анодом. Переход П1 является эмиттерным или катодным, П2 - коллекторным, П3 - эмиттерным или анодным. Структуру тиристора можно представить в виде схемы замещения (рис. 2), состоящей из транзисторов Т1 и Т2 типа n-p-n и p-n-p.
Рис. 2 Схема замещения тиристора
База и коллектор транзистора Т1 соединены соответственно с базой и коллектором транзистора Т2, образуя цепь внутренней положительной обратной связи. Если к аноду тиристора подключить плюс источника питания, а к катоду - минус, то переходы П1 и П3 будут смещены в прямом, а П2 - в обратном направлении. Таким образом напряжение источника питания окажется приложенным к переходу П2 и будет определяться выражением I=I к0 / [1-(? 1 +? 2 )] , где I к0 - обратный ток перехода П2, ? 1 и ? 2 - коэффициенты усиления. Из выражения следует, что ток I зависит от ? 1 и ? 2 и резко возрастает, когда их сумма приближается к единице. Коэффициенты ? 1 +? 2 зависят от тока эмиттера, напряжения на коллекторном переходе и ряда других факторов.
Посмотрим на вольт-амперную характеристику тиристора.
Рис. 3 Вольт-амперная характеристика диодного тиристора
На характеристике участок ОА соответствует выключенному (закрытому) состоянию тиристора. На этом участке через тиристор протекает ток утечки I зкр и сопротивление тиристора очень велико (порядка мегаом). При повышении напряжения до определенного значения U вкл (на характеристике точка А) ток через тиристор резко возрастает (скачком). Дифференциальное сопротивление тиристора в точке А равно нулю. На участке AB дифференциальное сопротивление тиристора отрицательное. Этот участок соответствует неустойчивому состоянию тиристора. При включении последовательно с тиристором сопротивления нагрузки рабочая точка смещается на участок BC, соответствующий включенному состоянию тиристора. На этом участке сопротивление тиристора опять положительное. Для того, чтобы поддерживать тиристор в открытом состоянии через него должен протекать ток не менее I уд . Снижая напряжение на тиристоре, можно уменьшить ток до значения, меньшего I уд и перевести тиристор в выключенное состояние.
Диодный тиристор чаще называют динистором.
Если к одной из базовых областей прилепить вывод, то получится управляемый переключающий прибор, который зовут триодный тиристор или просто тринистор . Подавая через этот вывод прямое (управляющее) напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение U вкл . Чем больше ток через управляющий переход, тем меньше U вкл . Вольт-амперная характеристика такого тиристора аналогична ВАХ динистора, только при различных U вкл (например, при меньших его значениях) точка А (рис. 3) смещается влево, ближе к оси тока. Другими словами, рост тока управляющего электрода приводит к смещению вольт-амперной характеристики в сторону меньшего напряжения включения. При достаточно большом токе управляющего электрода, называемом током спрямления, ВАХ триодного тиристора вырождается в ВАХ обычного диода, теряя участок отрицательного сопротивления. Для выключения триодного тиристора необходимо, снижая напряжения на нем, уменьшать ток через тиристор до значения, меньшего, чем I уд .
Запираемые триодные тиристоры в отличие от обычных тринисторов способны запираться при подаче сигнала отрицательной полярности на управляющий электрод. Структура запираемого тринистора аналогична структуре обычного тринистора.
Симметричные тиристоры (семисторы) имеют пятислойную структуру и обладают отрицательным сопротивлением на прямой и обратной ветвях вольт-амперной характеристики. Включают семистор подачей сигналов управления, выключают - снятием разности потенциалов между силовыми электродами или изменением их полярности.
Условное графическое обозначение всяких тиристоров ниже.
Рис. 4 Условное графическое обозначение тиристоров: а) диодный тиристор (динистор); б) диодный симметричный тиристор; в) триодный незапираемый тиристор с управлением по аноду; г) триодный незапираемый тиристор с управлением по катоду; д) запираемый тринистор с управлением по аноду; е) запираемый тринистор с управлением по катоду; ж) триодный симметричный незапираемый тиристор с управлением по аноду
Тиристор - это переключающий полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении. Этот радиоэлемент часто сравнивают с управляемым диодом и называют полупроводниковым управляемым вентилем (Silicon Controlled Rectifier, SCR).
Тиристор имеет три вывода, один из которых - управляющий электрод, можно сказать, "спусковой крючок" - используется для резкого перевода тиристора во включенное состояние.
Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают четыре основных свойства тиристора:
-
тиристор, как и диод, проводит в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель; -
тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния. Тем не менее для возврата тиристора в выключенное (разомкнутое) состояние необходимо выполнить специальные условия; -
управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое, значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока; -
o средний ток через нагрузку, включенную последовательно с тиристором, можно точно регулировать в зависимости от длительности сигнала на управляющем электроде. Тиристор при этом является регулятором мощности.
Свойства тиристора в закрытом состоянии
В соответствии со структурой тиристора можно выделить три электронно-дырочных перехода и заменить тиристор эквивалентной схемой, как показано на рис. 2.
Эта эквивалентная схема позволяет понять поведение тиристора с отключенным управляющим электродом.
Если анод положителен по отношению к катоду, то диод D2 закрыт, что приводит к закрытию тиристора, смещенного в этом случае в прямом направлении. При другой полярности диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении, и тиристор также закрыт.
Рис.5. Представление тиристора тремя диодами
Принцип отпирания с помощью управляющего электрода
Эквивалентное представление структуры р-n-p-n в виде двух транзисторов показано на рис. 6.
Представление тиристора в виде двух транзисторов разного типа проводимости приводит к эквивалентной схеме, представленной на рис. 7. Она наглядно объясняет явление отпирания тиристора.
Зададим ток I GT через управляющий электрод тиристора, смещенного в прямом направлении (напряжение V AK положительное), как показано на рис. 7.
Так как ток I GT становится базовым током транзистора n-p-n, то ток коллектора этого транзистора равен B 1 xI GT , где B 1 - коэффициент усиления по току транзистора Т1.
Этот ток одновременно является базовым током транзистора р-n-р, что приводит к его отпиранию. Ток коллектора транзистора Т2 составляет величину B 1 xB 2 xI GT и суммируется с током I GT , что поддерживает транзистор Т1 в открытом состоянии. Поэтому, если управляющий ток I GT достаточно велик, оба транзистора переходят в режим насыщения.
Цепь внутренней обратной связи сохраняет проводимость тиристора даже в случае исчезновения первоначального тока управляющего электрода IGT, при этом ток анода (1А ) остается достаточно высоким.
Типовая схема запуска тиристора приведена на рис. 8
.
Рис.6. Разбиение тиристора на два транзистора
Рис.7. Представление тиристора в виде двухтранзисторной схемы
Рис.8. Типичная схема запуска тиристора
Отключение тиристора
Тиристор перейдет в закрытое состояние, если к управляющему электроду открытого тиристора не приложен никакой сигнал, а его рабочий ток спадет до некоторого значения, называемого током удержания (гипостатическим током).
Отключение тиристора произойдет, в частности, если была разомкнута цепь нагрузки (рис. 9а) или напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого полупериода переменного напряжения питания).
Рис.9. Способы отключения тиристора
Когда тиристор работает при постоянном токе, отключение может быть произведено с помощью механического выключателя.
Включенный последовательно с нагрузкой этот ключ используется для отключения рабочей цепи.
Включенный параллельно основным электродам тиристора (рис. 9б) ключ шунтирует анодный ток, и тиристор при этом переходит в закрытое состояние. Некоторые тиристоры повторно включаются после размыкания ключа. Это объясняется тем, что при размыкании ключа заряжается паразитная емкость р-n перехода тиристора, вызывая помехи.
Поэтому предпочитают размещать ключ между управляющим электродом и катодом тиристора (рис. 9д), что гарантирует правильное отключение посредством отсечения удерживающего тока. Одновременно смещается в обратном направлении переход р-n, соответствующий диоду D2 из схемы замещения тиристора тремя диодами (рис. 5).
На рис. 9а-д представлены различные варианты схем отключения тиристора, среди них и ранее упоминавшиеся. Другие, как правило, применяются, когда требуется отключать тиристор с помощью дополнительной цепи. В этих случаях механический выключатель можно заменить вспомогательным тиристором или ключевым транзистором, как показано на рис. 10.
Рис.10. Классические схемы отключения тиристора с помощью дополнительной цепи
Симистор
Симиcmop - полупроводниковый прибор, который широко используется в системах, питающихся переменным напряжением. Упрощенно он может рассматриваться как управляемый выключатель. В закрытом состоянии он ведет себя как разомкнутый выключатель. Напротив, подача управляющего тока на управляющий электрод симистора ведет к переходу его в проводящее состояние. В это время симистор подобен замкнутому выключателю.
При отсутствии управляющего тока симистор во время любого полупериода переменного напряжения питания неизбежно переходит из состояния проводимости в закрытое состояние.
Кроме работы в релейном режиме в термостате или светочувствительном выключателе, разработаны и широко используются системы регулирования, функционирующие по принципу фазового управления напряжением нагрузки, или, другими словами, плавные регуляторы.