5. Тиристоры

Тиристор — это полупроводниковый переключательный (коммутирующий) прибор с тремя и более чередующимися p-n-переходами. В зависимости от количества выводов различают двухэлектродные тиристоры — динисторы, трехэлектродные — тринисторы и четырехэлектродные — бинисторы. Наибольшее распространение в электротехнических и электронных устройствах получили динисторы и тринисторы. Тиристоры с двухсторонней проводимостью называют симисторами. Классификация и условные графические обозначения тиристоров приведены на рис. 2.36. Условное буквенное обозначение тиристоров на схемах — VS. Исходные материал для изготовления тиристоров — кремний, поэтому их так же называют кремниевыми управляемыми вентилями (КУВ).

Рис. 2.36. Классификация тиристоров

Структура не симметричного тиристора (динистора) и его эквивалентная схема приведены на (рис. 2.37, а, б). На (рис. 2.37, в) над осью напряжения сплошной линией показана вольтамперная характеристика этого прибора. Динистор имеет два электрода анод и катод и направление тока через него от анода к катоду указывает стрелка его условного графического изображения. Если на динистор подано напряжение от внешнего источника, приложенное плюсом к аноду и минусом к катоду, то крайние p-n-переходы открыты, но средний p-n-переход при этом закрыт (смещен в непроводящем направлении) и через тиристор течет только небольшой ток неосновных носителей.

При увеличении напряжения между анодом и катодом до значения, при котором наступает электрический пробой среднего p-n-перехода, ток из-за ударной ионизации атомов в зоне этого перехода лавинообразно увеличивается, сопротивление тиристора становится малым и падение напряжения на нем уменьшается до 1 – 2 В.

Процесс включения тиристора можно пояснить и по его эквивалентной схеме (рас. 2.37, б), на которой он представлен в виде двух последовательно-параллельно включенных биполярных транзисторов p-n-p и n-p-n. Эти транзисторы включены так, что коллекторный ток одного транзистора является базовым током другого. Если в цепи базы одного из транзисторов появляется ток, то усиленный транзистором, он из его коллектора идет в базу второго транзистора и, усиленный им опять попадает в базу первого транзистора. Этот процесс повторяется, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения, т. е. пока полностью не откроются.

Рис. 2.37. Тиристоры: а) структура динистора; б) эквивалентная схема динистора; в) вольтамперная характеристика тиристора; г) структура симистора

В триодных тиристорах (тринисторах) за счет подачи отпирающих импульсов, положительной полярности на базу Б₂ или отрицательной полярности на базу Б₁ (рис. 2.37, а) или одновременно на обе базы (в бинисторах), напряжение между анодом и катодом, при котором тиристор переходит в открытое состояние понижается до , показанного на характеристике (рис. 2.37, в) пунктиром и стрелкой. Меняя величину управляющего сигнала, можно управлять порогом включения тиристора.

Выключить тиристор можно уменьшив ток до значения, при котором тиристор выключается ( ), отключив электропитание или, подавая между анодом и катодом запирающее напряжение обратной полярности.

Динисторы имеют одностороннюю проводимость. Чтобы тиристор мог работать, при любой полярности приложенного напряжения (симистор), используется пятислойная структура (рис. 2.37, г). Если в этой структуре внешнее напряжение приложено плюсом к электроду 1 и минусом к электроду 2, то ток проходит по пути , при противоположной полярности путь тока — . В триодных симисторах, при этом, на управляющий электрод подается дополнительно сигнал включения соответствующей полярности. Вольтамперная характеристика симистора имеет две ветви, расположенных симметрично, показанные на (рис. 2.37, в) сплошной и пунктирной линиями.

Тиристоры применяются в электротехнической и электронной аппаратуре, в основном, как мощные быстродействующие переключатели, обеспечивающие коммутацию токов, имеющих значения до нескольких тысяч ампер в открытом состоянии тиристора при напряжениях на запертом тиристоре в тысячи вольт. При этом, независимо от значения, протекающего через него тока, напряжение на открытом тиристоре не превышает обычно 1 – 2 В.

Для бесконтактного управления коммутацией цепей в электротехнических и электронных устройствах применяются фототиристоры (рис. 2.38).

Рис. 2.38. Фототиристор

Когда мощность светового излучения, падающего на область закрытого p-n-перехода (базы) превышает порог отпирания, за счет генерации носителей зарядов фототиристор переходит в открытое состояние. Фототиристор обладает памятью, так как после прекращения светового воздействия остается включенным.

Так как тиристор можно представить в виде двух транзисторов, то магниточувствительные свойства тиристоров характеризуются магниточувствительными свойствами составляющих их транзисторов. На этом основана работа приборов, называемых магнитотиристорами, в которых порогом включения управляет не напряжение, а магнитное поле. Напряжение включения магнитотиристора при малых магнитных полях меняется почто линейно.