О тиристорах простым языком

В современной электронике применяется множество полупроводниковых ключей для управления нагрузкой, а также в составе вторичных источников питания. Один из видов полупроводниковых ключей – это тиристоры. В сегодняшней статье мы расскажем о тиристорах простым языком.

Определение

Тиристоры – это полупроводниковые ключи с p-n-p-n-структурой с тремя или более p-n-переходами и двумя стабильными состояниями:

• «закрытое» состояние — состояние низкой проводимости. Это такое состояние, при котором ключ разомкнут и не проводит ток.

• «открытое» состояние — состояние высокой проводимости. Это такое состояние, при котором ключ замкнут и проводит ток.

Основное их применение — это управление мощной нагрузкой, с помощью слабых токов. Тиристор, как и полупроводниковый диод, проводит ток в одном направлении. Другое название тиристоров – не полностью управляемые или полууправляемые ключи. это связано с их главной особенностью – самый простой тиристор можно только открыть, подав сигнал на управляющий электрод, но закрыть его нельзя. Тиристор будет в открытом состоянии до тех пор, пока он под напряжением и через него будет протекать ток силой выше, чем ток удержания.

Ток удержания – минимальный ток, который должен протекать через тиристор, чтобы удерживать его в открытом состоянии.

Если с тиристора снять напряжение или прервать ток через него, или подать напряжение обратной полярности он перейдёт в закрытое состояние.

Существуют и такие тиристоры, которые можно закрыть с помощью управляющего электрода, они называются двухоперационными или запираемыми, чтобы закрыть такой тиристор нужно на управляющий электрод подать ток обратной полярностью. Соответственно простые тиристоры, которые нельзя закрыть таким образом называются однооперационными, они чаще встречаются и просты для понимания, поэтому рассматривать принцип работы мы будем на их примере.

Условное графическое обозначение тиристора на схемах похоже на обозначение диода, но отличается дополнительной чёрточкой — это управляющий электрод. Анод соединён с внешним p-слоем p-n-перехода, а катод с внешним n-слоем. В зависимости от реального расположения управляющего электрода в структуре кристалла управляющий электрод на УГО изображается со стороны анода (а) или со стороны катода (б).

Принцип работы

Тиристор состоит из 4 слоёв полупроводника с разной проводимостью (p-n-p-n), соединённых последовательно. Его можно представить в виде двух транзисторов с разной проводимостью: прямой (pnp) и обратной (npn), у которых соединены база с коллектором, а эммитеры представляют собой «крайние» выводы тиристора — анод и катод.

Принцип работы будем рассматривать на примере аналогии с двумя транзисторами. Для лучшего понимания на рисунке ниже вы видите обозначение транзистора на схеме и название его выводов.

При таком представлении крайние области структуры можно назвать эмиттерными, а центральный переход коллекторной. Чтобы понять принцип работы тиристора рассмотрим его вольт-амперную характеристику (ВАХ).

ВАХ тиристора. Справа вверху изображена ветвь при прямом включении, когда на анод подан + источника, а на катод — это называется прямая ветвь. Слева внизу изображена обратная ветвь ВАХ.

Вернёмся к тиристору. Если на анод подать какое-то положительное относительно катода напряжение, то «эмиттерные» переходы будут смещены в прямом направлении, а коллекторный в обратном, и всё приложенное напряжение упадёт на нём. Участок ВАХ от 0 до 1 – похож на обратную ветвь диода. Так ведёт себя тиристор в закрытом состоянии, то есть при увеличении напряжения сила тока практически не увеличивается и приближена к нулю.

При дальнейшем увеличении напряжения на аноде происходит инжекция основных носителей зарядов в области баз, тогда ток через тиристор начнёт расти. С увеличением напряжения и тока через тиристор, при достижении напряжения включения, напряжение на коллекторном переходе резко уменьшится — участок ВАХ 1-2. Этот участок называют «участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением». Отрицательным оно называется, потому что при уменьшении напряжения возрастает ток. Три p-n-перехода сместятся в прямом направлении, и тиристор откроется, на ВАХ это состояние отображает участок 2-3.

Тиристор будет открытым до тех пор, пока p-n-переходы смещены в прямом направлении. Если уменьшить ток тиристора, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей заряда в базовых областях и коллекторный переход сместится в обратном направлении, а тиристор закроется. А также тиристор можно закрыть если подать на его анод отрицательное напряжение.

Если говорить простым языком, то можно представить водопроводную трубу, на которой установлен клапан, который открывается под большим давлением воды. Вода как бы «прорывает» клапан. А если перекрыть воду задвижкой, установленной где-то до него, то клапан без давления сразу же закроется.

Если к аноду приложить не положительное, а отрицательное напряжение, то есть включить тиристор в обратном направлении, то его вольтамперная характеристика в целом повторяет обратную ветвь ВАХ обычного выпрямительного диода. Напряжение, при котором он начнет пропускать ток в таком направлении называется напряжением пробоя. Это аварийный режим работы для тиристора.

Но почему на прямой ветви ВАХ изображено несколько графиков? Самый правый участок ветви ВАХ, обозначенный Iупр1=0, показывает поведение тиристора без подачи тока управления на управляющий электрод (УЭ), то есть он сам откроется при достижении определённого напряжения на аноде (Uак).

Чем больше ток управления, тем меньше напряжение нужно для включения тиристора, это видно по участкам ВАХ с подписью Iупр2 > 0 и Iупр3 > Iупр2. Напомню, что для открытия тиристора достаточно кратковременной подачи управляющего тока на УЭ, после его прекращения тиристор продолжит проводить ток.

Смысл использования тиристора состоит в том, что управляющий ток может быть во много раз меньше чем ток через анод тиристора, таким образом и происходит управление мощными нагрузками с помощью маломощных ключей, кнопок или контроллеров.

Если вернуться к структурной схеме тиристора, то при таком включении оба транзистора охвачены сильной положительной обратной связью. Положительная обратная связь – это когда изменение выходного сигнала элемента усиливает входной сигнал, то есть чем больше на выходе – тем больше на входе.

Ключ, собранный по такой схеме, отпирается кратковременной подачей тока на управляющий электрод. Так открывается транзистор VT2 и через него начинает протекать ток (Ik2) от источника (А) через переход эммитер-база транзистора VT1, открывая и его. После снятия тока с управляющего электрода ток коллектора VT1 (Iк1) втекает в базу VT2, поддерживая его в открытом состоянии.

И так по кругу — токи коллекторов обоих транзисторов протекают через их базы и поддерживают их в открытом состоянии. Это и есть работа положительной обратной связи.

Поэтому тиристоры не нуждаются в поддержании управляющего тока и отпираются коротким импульсом.

Основные характеристики

Выбирают тиристоры по техническим характеристикам, в зависимости от напряжения в цепи и требуемого номинального тока. Перечислим основные технические характеристики, в скобках будет приведено буквенное обозначение в отечественной и зарубежной литературе:

1. Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).
2. Наибольшее постоянное прямое напряжение на аноде в закрытом состоянии (VD или Uзс), это величина напряжения, которая может быть приложена к аноду, не вызывающая переключение тиристора из закрытого состояния в открытое.
3. Импульсное неповторяющееся напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс, нп), — наибольшее мгновенное значение неповторяющегося напряжения на аноде, не вызывающее его переключение из закрытого состояния в открытое.
4. Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).
5. Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток, который может выдержать тиристор, включённый в прямом смещении.
6. Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток, который может протекать через открытый тиристор.
7. Обратный ток (IR) — ток при определённом обратном напряжении.
8. Постоянный ток в закрытом состоянии, указывается при определённом прямом напряжении (ID или Iзс).
9. Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ) — напряжение, которое нужно подать на управляющий электрод для того, чтобы тиристор открылся.
10. Ток управления (IGT) — ток, который нужно пропустить через управляющий электрод, для открытия тиристора.
11. Максимальный ток управления электрода (IGM).
12. Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу).

Разновидности тиристоров

Выше мы рассмотрели принцип работы самого распространённого типа полууправляемых полупроводниковых ключей – однооперационного тиристора. Давайте разберёмся какими вообще они бывают! По количеству выводов можно выделить две группы ключей: динисторы (двухвыводные) и тринисторы (трёхвыводные).

Динистор отличается от тиристора тем, что у него нет управляющего вывода, соответственно вы никак не можете управлять моментом его открытия. Динистор открывается при достижении на аноде определённого напряжения — напряжения включения (VBO­).

Напряжение включения зависит от модели динистора, например, у популярного DB3, который использовался в качестве порогового элемента во многих схемах автогенераторных импульсных источников питания оно находится в районе 30-40 вольт.

Следующий по популярности элемент – это симистор, он же симметричный тиристор, он же диак (DIAC). Он состоит из двух тиристоров, соединённых встречно-параллельно, благодаря чему проводит ток в двух направлениях, что позволяет их использовать в цепях переменного синусоидального тока. В таком применении один симистор заменяет два тиристора.

При использовании в цепи переменного тока одного тиристора – в нагрузку будет проходить одна полуволна.

Кроме перечисленных есть и другие виды тиристоров, среди которых: запираемые тиристоры, тиристоры с полевым управлением, фототиристоры (управляемые световым потоком). Подробно их рассматривать не будем, но ниже приведена сводная диаграмма, на которой вы видите перечень видов тиристоров с их англоязычными обозначениями.