Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Структура тиристора состоит из четырех слоев кристалла полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рис. 1). Крайние области структуры — соответственно p- и n-эмиттеры, а области, примыкающие к среднему переходу, p - и n - баз.

Внешнее напряжение на такой прибор подается минусом на крайнюю область с электропроводностью n-типа (на катодный электрод) и плюсом на крайнюю область с электропроводностью р типа (на анодный электрод). В этом случае крайние р-n переходы П1, ПЗ включены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными, средний р-n переход П2 включен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Структуру тиристора можно пред ставить в виде схемы замещения (рис. 2), состоящей из транзисторов VI и V2 соответственно p - n - p и n -p- n типа.

В этой схеме для учета нелинейной зависимости коэффициентов усиления α₁ и α₂ от тока эмиттерные переходы транзисторов шунтируются резисторами R1 и R2. База и коллектор транзистора VI соединены соответственно с коллектором и базой транзистора V2, образуя цепь внутренней положительной обратной связи. Если к аноду тиристора подключить положительный полюс источника питания, а к катоду — отрицательный, то П1 и ПЗ сместятся в прямом, а П2 — в обратном направлении (см. рис.1)

Таким образом, напряжение источника питания окажется, приложенным к переходу П2 и ток во внешней цепи будет определяться выражением I = Iко / [1 - (α₁ + α₂)], где Iко - обратный ток перехода П2. Из этого выражения следует, что ток I зависит от α₁ и α₂ и резко возрастает, когда их сумма приближается к единице. Коэффициента α₁ и α₂ зависят от тока эмиттера, напряжения на коллекторном переходе, а также от других факторов. Тиристор, имеющий выводы только от крайних слоев, называется диодным тиристором или динистором; при дополнительном выводе от одного из средних слоев он называется трйодным тиристором или тринистором.

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора представлена на рис. 3. Участок OA соответствует - выключенному (закрытому) состояний тиристора. На этом участке через тиристор протекает ток утечки Iзс и его сопротивление очень велико (порядка нескольких мегаОм). При повышении напряжения до определенного Uпрк (точка А характеристики) ток через тиристор резко возрастает. Дифференциальное сопротивление тиристора в точке А равно нулю. На участке АБ дифференциальное сопротивление тиристора отрицательное. Этот участок соответствует неустойчивому состоянию тиристора. При включении последовательно с тиристором небольшого сопротивления нагрузки рабочая точка перемещается на участок БВ, соответствующий включенному состоянию тиристора. На этом участке дифференциальное сопротивление тиристора положительное. Для поддержания тиристора в открытом состоянии через него должен протекать ток не менее Iуд. Снижая напряжение на тиристоре, можно уменьшить ток до значения меньшего, чем Iуд, и перевести тиристор в выключенное состояние.

Вольт-амперная характеристика триодного тиристора (рис. 4), снятая при нулевом токе управляющего электрода, подобна характеристике диодного тиристора. Рост тока управляющего электрода (от Iу = О до Iу3) приводит к смещению вольт-амперной характеристики в сторону меньшего напряжения включения (от Uпрк до Uпрк3). При достаточно большом токе управляющего электрода, называемом током спрямления, вольт-амперная характеристика триодного тиристора вырождается в характеристику обычного диода, теряя участок отрицательного сопротивления. Для выключения триодного тиристора необходимо, снижая напряжение на нем, уменьшать ток через тиристор до значения, меньшего, чем Iуд.

Запираемые триодные теристоры в отличие от обычных триодных тиристоров способны переключаться из отпертого состояние в запертое при подаче сигнала отрицательной, полярности на управляющий электрод. Структура запираемого тиристора аналогична структуре обычного триодного тиристора. Способность тиристора к запиранию управляющему электроду характеризуется коэффициентом запирания

Кз= Iа/Iз= α₂/(α₁ + α₂ - 1),
где Iа анодный ток, при котором происходит запирание.

Симметричные тиристоры - симисторы (в старых справочника можно встретить написание - семисторы) имеют пятислойную структуру и обладают отрицательным сопротивлением на прямой и обратной ветвях вольт-амперной характеристики. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики симметричного тиристора расположена в третьем квадранте и аналогична прямой ветви. Отпирание симисторов производится посредством сигналов управления, снятием разности потенциалов между силовыми электродами или изменением их полярности.

Обозначение советских типов тиристоров (ОСТ 11 336.919—81) состоит из пяти элементов. Второй элемент обозначает подкласс прибора: для тиристоров, диодных — Н; для тиристоров, триодных — У.
Третий элемент - назначение прибора:

Тиристоры диодные:
с максимально допустимым значением прямого тока не более 0,3А - 1
с максимально допустимым значением прямого тока более 0,3. но не более 10А - 2

Тиристоры триодные незапираемые:
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15А - 1
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 0,3, но не более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 15, но не более 100А - 2

с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10А ила с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состояния более 100А - 7

Тиристоры триодные запираемые:
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15А - 3
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 0,3, но не более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 15, но не более 100А - 4

с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10 А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100А - 8

Тиристоры триодные симметричные:
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15А - 5
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 0,3, но не более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 15, но не более 100А - 6

с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состаямш более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100А - 9

В соответствии с ГОСТ 10862—72 приборам, разрабатываемым до 1979 г., присваивалось обозначение, при котором третий элемент, определяющий назначение прибора, выбирался согласно:

Тиристоры диодные:
малой мощности (допустимый прямой ток не более 0,3 А) - 1
средней мощности (допустимый прямой ток более 0,8, но не более 10А) - 2

Тиристоры триодные незапираемые:
малой мощности - 1
средней мощности - 2

Тиристоры триодные запираемые: малой мощности - 3
средней мощности - 4

Тиристоры триодные симметричные незапираемые:
малой мощности - 5
средней мощности - 6

Например: тиристор триодный незапираемый, предназначенный для устройств широкого применения, кремниевый, средней мощности, номер разработки 15, группа Б — КУ215Б.

Условное графическое обозначение тиристоров, установленное ГОСТ 2.730-73, приведено на рис.

а - диодный тиристор; б — триодный симметричный тиристор; в — триодный - незапираемый тиристор с управлением по аноду; г — триодный незапираемый тиристор с управлением по катоду; д — триодный запираемой тиристор с управлением по аноду; е — триодный запираемый тиристор с управлением по катоду; ж — триодный симметричный незапираемый тиристор.

Основные параметры советских тиристоров, их определения и буквенные обозначения установлены ГОСТ 20332—84.

Напряжение переключения Uпрк — основное напряжение тиристора в точке переключения.

Ток включения тиристора Iвкл — наименьший основной ток тиристора, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии непосредственно после окончания действия импульса тока управления и переключения тиристора из закрытого состояния в открытое.

Ток удержания тиристора Iуд — наименьший основной ток тиристора, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Напряжение в открытом состоянии тиристора Uос - основное напряжение тиристора в открытом состоянии, обусловленное током в открытом состоянии.

Постоянный ток в закрытом состоянии Iз.с — основной ток тиристора в закрытом состоянии.

Постоянный обратный ток тиристора Iобр — постоянный анодный ток тиристора в непроводящем состоянии.

Незапирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.нз.и — наибольшее импульсное напряжение управления тиристора, не вызывающее включение тиристора.

Отпирающее напряжение тиристора Uот — наименьшее значение напряжения в закрытом состояний твристора, которое обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое.

Импульсное отпирающее напряжение тиристора Uот.и — наименьшее импульсное значение напряжения в закрытом состоянии тиристора, которое обеспечивает переключение тиристора из закрыого состояния в открытое.

Неотпирающий постоянный ток управления тиристора Iу.нот — наибольший постоянный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Неотпирающий импульсный ток управления тиристора Iу.нот.и — наибольший импульсный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Запирающий постоянный ток управления тиристора Iу.з — наименьший постоянный ток управления тиристора, необходимый для выключения тиристора.

Запирающий импульсный ток управления тиристора Iу.з и — наименьший импульсный ток управления тиристора, необходимый для выключения тиристора.

Незапирающий постоянный ток управления тиристора Iу.нз -наибольший постоянный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Незапирающий импульсный ток управления тиристора Iу.нз.и — наибольший импульсный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Отпирающий постоянный ток управления тиристора Iу.от.п — наименьший постоянный ток управления, необходимый для включения тиристора.

Отпирающий импульсный ток управления тиристора Iу.от.и — наименьший импульсный ток управления, необходимый для включения тиристора.

Отпирающее постоянное напряжение управления тиристора Uy.от — постоянное напряжение управления тиристора, соответствующее отпирающему постоянному току управления тиристора.

Отпирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.от.и — импульсное напряжение управления тиристора, соответствующее импульсному отпирающему току управления тиристора.

Неотпирающее постоянное напряжение управления тиристора Uу.нот — наибольшее постоянное напряжение управления тиристора, не вызывающее включения тиристора.

Неотпирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.нот.и - наибольшее импульсное напряжение управления тиристора, не вызывающее включения тиристора.

Запирающее постоянное напряжение управления тиристора Uу.з — постоянное напряжение управления тиристора, соответствующее запирающему постоянному току управления тиристора.

Запирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.з.и — импульсное напряжение управления тиристора, соответствующее запирающему импульсному току управления тиристора.

Незапирающее постоянное напряжение управления тиристора Uy.н.з — наибольшее постоянное напряжение управление тиристора, не вызывающее включения тиристора.

Общая емкость тиристора Собщ — емкость между основными выводами при заданном напряжении в закрытом состоянии тиристора.

Динамическое сопротивление в открытом состоянии тиристора Rдин — значение сопротивления, определяемое по наклону прямой, аппроксимирующей характеристику открытого состояния тиристора.

Время включения тиристора t_вкл — интервал времени, в течение которого тиристор включается отпирающим током управления или переключается из закрытого состояния в открытое импульсным отпирающим напряжением. Время включения равняется сумме времени задержки и времени нарастания.

Время выключения тиристора t_выкл — наименьший интервал времени между моментом, когда основной ток тиристора после внешнего переключения основных цепей понизился до нуля, и моментом, в который определенное основное напряжение тиристора проходит через нулевое значение без переключения тиристора.

Предельно допустимые параметры. К ним относятся: постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии Uз.с.max, постоянное обратное напряжение управления Uу.обр.max, постоянное обратное напряжение Uобр.max, постоянный ток в открытом состоянии Iос.max, импульсный ток в открытом состоянии Iос.и.max, постоянный прямой ток управления Iу.max, средняя рассеиваемая мощность Pср.max.