Принцип работы тиристора простым языком

Структура тиристора

Тиристор это четырёхслойный полупроводниковый прибор, слои расположены последовательно их типы проводимости чередуются: p‑n‑p‑n. p‑n‑переходы между слоями на рисунке обозначены как «П1», «П2» и «П3». Контакт присоединенный к внешнему p‑слою называется анодом, к внешнему n‑слою — катодом. В принципе тиристор может иметь до двух управляющих электродов, присоединённых к внутренним слоям. Но обычно изготавливаются тиристоры с одним управляющим электродом, либо вообще без управляющих электродов (такой прибор называется динистором).

Для включения тиристора достаточно кратковременно подать сигнал на управляющий электрод — тиристор откроется и будет оставаться в этом состоянии пока ток через тиристор не станет меньше тока удержания.

Итак, главный принцип работы тиристора и схем на его основе — открываем тиристор подачей сигнала на усправляющий электрод, закрываем снижая ток анод-катод.

Как и в биполярном транзистор главную роль в принципе действия играют неосновные носители заряда (ННЗ) и обратно-смещенный p-n- переход. Пока неосновных носителей мало переход закрыт, но стоит подкинуть ННЗ к переходу и он откроется.
В тиристоре есть два основных способа добавить ННЗ:
1) закачать ток в управляющий электрод;
2) поднять напряжение настолько чтобы возник лавинный пробой.

Динисторное включение тиристора

Для начала рассмотрим второй случай, то есть когда управляющий электрод тиристора отключен.

При подаче напряжения прямой полярности, крайние переходы смещаются в прямом направлении, а средний – в обратном. При значительном увеличении напряжения на силовых электродах, через крайние (П1 и П3), примыкающие к среднему, переходы начинают перемещаться неосновные носители, уменьшая его сопротивление. Процесс происходит медленно, а сопротивление остается большим, но лишь до определенного момента. При некотором значении напряжения (как правило, несколько сотен вольт) процесс становится лавинным(точка 1 на ВАХ), неосновные носители заряда заменяются основными, отпирая средний переход (П2) и уменьшая сопротивление анод-катод. Тиристор отпирается, а падение напряжения между силовыми электродами падает до единиц Вольт (точка 2 на ВАХ).

Дальнейший рост тока ведет только к небольшому росту падения напряжения на тиристоре участок ВАХ от точки 2 до точки 3, это рабочий режим открытого тиристора.

Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий ток ниже тока удержания. Причем падение напряжения соответствующее этому току многократно ниже отпирающего напряжения.

Но зачем тиристору управляющий электрод? Какие преимущества есть у тиристора перед динистором? Дело в том, что подавая напряжение через резистор на управляющий электрод можно увеличивать концентрацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь будет снижать величину напряжения включения тиристора.

А при какой-то величине тока управляющего электрода больше не будет горба на ВАХ, т.е. ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода, кстати этот ток называют током спрямления.

Режим обратного запирания тиристора

При обратном включении тиристора крайние переходы (П1 и П3) смещаются в обратном направлении, а средний в прямом (П2). Тиристор остается закрытым пока не наступит тепловой пробой.

Физические процессы

Если пары по физическим основам электроники на которых рассматривался транзистор я ещё как-то выдерживал, то энергетические зонные диаграммы объясняющие принцип работы тиристора уже были слишком сложны. Очень много ньюансов в концетрациях носителей заряда, толщинах слоев и уровне легирования.
Конечно, чтобы изготовить тиристор с хорошими характеристиками физические процессы протекающие в кристалле полупроводника нужно знать и понимать. Но для разработки электронных схем достаточно знать вольт-амперную характеристику тиристора и его транзисторную модель.

Одну четрехслойную полупроводниковую структуру можно представить как две трехслойные, если посмотреть на рисунок, то в трехслойных структурах можно увидеть два биполярных транзистора n-p-n и p-n-p структуры.

Пока оба транзистора закрыты, ток через них не протекает. Но стоит открытся хоть одному из них, то он тут же откроет второй. Ток коллектора первого транзистора поступит в базу второго и откроет его, а ток коллектора второго, будет являтся базовым для первого и будет поддерживать открытым первый транзистор. Получаетя что оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии. И чтобы они закрылись, нужно снизить ток через ниж ниже определенной величины, так называемого тока удержания.

3 thoughts on “ Тиристор принцип работы ”

Про теристоры прекрасная статья! Все коротко и ясно. Заменяет часы просмотра сайтов с конспектами сложных лекций и целую вечность пустых видео на ютубе.
Спасибо!

а как же управление тиристорами пачками импульсов

Принцип действия тиристора

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Тиристор в цепи постоянного тока

Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG , температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Среди способов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (или естественную коммутацию) и принудительное (или искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Способы принудительной коммутации весьма разнообразны. Наиболее характерны из них следующие: подключение предварительно заряженного конденсатора С ключом S (рис 3, а); подключение LC-цепи с предварительно заряженным конденсатором CK (рис 3 б); использование колебательного характера переходного процесса в цепи нагрузки (рис 3, в).

Рис. 3. Способы искусственной коммутации тиристоров: а) – посредством заряженного конденсатора С; б) – посредством колебательного разряда LC-контура; в) – за счёт колебательного характера нагрузки

При коммутации по схеме на рис. 3,а подключение коммутирующего конденсатора с обратной полярностью, например другим вспомогательным тиристором, вызовет его разряд на проводящий основной тиристор. Так как разрядный ток конденсатора направлен встречно прямому току тиристора, последний снижается до нуля и тиристор выключится.

В схеме на рис. 3,б подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего конденсатора Ск. При этом в начале разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Далее ток LC-контура переходит из тиристора VS в диод VD. Пока через диод VD протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде.

В схеме на рис. 3,в включение тиристора VS на комплексную RLC-нагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный характер с изменением полярности тока нагрузки iн. В этом случае после выключения тиристора VS происходит включение диода VD, который начинает проводить ток противоположной полярности. Иногда этот способ коммутации называется квазиестественным, так как он связан с изменением полярности тока нагрузки.

Тиристор в цепи переменного тока

При включении тиристора в цепь переменного тока возможно осуществление следующих операций:

включение и отключение электрической цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;

изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток только в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 4,а).

Рис. 4. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б)

Среднее и действующее значения тока варьируются за счёт изменения момента подачи на тиристоры VS1 и VS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт изменения угла и (рис. 4,б). Значения этого угла для тиристоров VS1 и VS2 при регулировании изменяется одновременно при помощи системы управления. Угол называется углом управления или углом отпирания тиристора.

Наиболее широкое применение в силовых электронных аппаратах получили фазовое (рис. 4,а,б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 4,в).

Рис. 5. Вид напряжения на нагрузке при: а) – фазовом управлении тиристором; б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией; в) – широтно-импульсном управлении тиристором

При фазовом методе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки возможно как за счёт изменения угла ? , так и угла ? . Искусственная коммутация осуществляется с помощью специальных узлов или при использовании полностью управляемых (запираемых) тиристоров.

При широтно-импульсном управлении (широтно-импульсной модуляции – ШИМ) в течение времени Тоткр на тиристоры подан управляющий сигнал, они открыты и к нагрузке приложено напряжение Uн. В течение времени Тзакр управляющий сигнал отсутствует и тиристоры находятся в непроводящем состоянии. Действующее значение тока в нагрузке

где Iн.м. – ток нагрузки при Тзакр = 0.

Кривая тока в нагрузке при фазовом управлении тиристорами несинусоидальна, что вызывает искажение формы напряжения питающей сети и нарушения в работе потребителей, чувствительных к высокочастотным помехам – возникает так называемая электромагнитная несовместимость.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, используемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных (сильнотоковых) цепей. Однако они имеют существенный недостаток – неполную управляемость, которая проявляется в том, что для их выключения необходимо создать условия снижения прямого тока до нуля. Это во многих случаях ограничивает и усложняет использование тиристоров.

Для устранения этого недостатка разработаны тиристоры, запираемые сигналом по управляющему электроду G. Такие тиристоры называют запираемыми (GTO – Gate turn-off thyristor) или двухоперационными.

Запираемые тиристоры (ЗТ) имеют четырехслойную р-п-р-п структуру, но в то же время обладают рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципиально отличное от традиционных тиристоров – свойство полной управляемости. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении идентична ВАХ обычных тиристоров. Однако блокировать большие обратные напряжения запираемый тиристор обычно не способен и часто соединяется со встречно-параллельно включенным диодом. Кроме того, для запираемых тиристоров характерны значительные падения прямого напряжения. Для выключения запираемого тиристора необходимо подать в цепь управляющего электрода мощный импульс отрицательного тока (примерно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но короткой длительности (10-100 мкс).

Запираемые тиристоры также имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (примерно на 20-30 %) по сравнению с обычными тиристорами.

Основные типы тиристоров

Кроме запираемых тиристоров разработана широкая гамма тиристоров различных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Среди них следует отметить следующие типы:

тиристор-диод , который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодом (рис. 6.12,a);

диодный тиристор (динистор) , переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного между А и С (рис. 6,b);

запираемый тиристор (рис. 6.12,c);

симметричный тиристор или симистор , который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);

быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);

тиристор с полевым управлением по управляющему электроду , например, на основе комбинации МОП-транзистора с тиристором;

оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) — симистор

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS . Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров применяются цепи формирования траектории переключения, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

Тиристором (от греч. thyra — дверь и резистор), называется полупроводниковый прибор, содержащий три p-n перехода и четыре слоя с чередующимися типами проводимости. Тиристоры обладают односторонней проводимостью от анода к катоду. Различают диодные тиристоры (динисторы) и триодные (управляемые) тиристоры. Условные графические обозначения динистора и тиристора, а также внешний вид некоторых типов тиристоров представлен на рис. 14.1.

динистор
тиристор

Рис. 14.1. Условное графическое обозначение и внешний вид динистора и тиристора

Электрические характеристики тиристоров близки к характеристикам идеального ключа. Они могут находиться только в двух состояниях:

— закрытом – сопротивление более 100 кОм;

— открытом – сопротивление 0,01…0,1 Ом.

Общим признаком, характерным для четырёхслойных полупроводниковых структур, является регенеративный процесс, происходящий при открывании (переходе из закрытого в открытое состояние). Регенеративный процесс возникает из-за внутренней положительной обратной связи.

Рассмотрим работу неуправляемого диодного тиристора – динистора. Структура динистора представлена на рис. 14.2.

Для удобства анализа работы такой p-n-p-n структуры заменим её эквивалентной схемой из двух транзисторов с разным типом проводимости p-n-p и n-p-n. Эквивалентная схема представлена на рис. 14.3.

Из эквивалентной схемы замещения динистора видно, что переход П1 – это переход эмиттер-база транзистора p-n-p, переход П3 – это переход эмиттер-база транзистора n-p-n, а переход П2 – их общий переход коллектор-база.

Рис. 14.2. Структура динистора

а)	б)

Рис. 14.3. Эквивалентная схема замещения динистора:

а – с послойным представлением переходов; б – на транзисторах p-n-p и n-p-n

При приложении к динистору напряжения в полярности, указанной на рис. 14.2 (+ к аноду, — к катоду), переходы П1 и П3 открыты, а П2 закрыт. Через динистор проходят два встречных потока зарядов:

В базах n₂ и p₃ эти носители зарядов частично рекомбинируют, и в переход П2 входит лишь часть этих потоков, определяемая коэффициентами передачи токов a₁ и a₂. Также через переход П2 проходит ток не основных носителей зарядов, представляющий собой обратный ток закрытого перехода I_К.ОБР. Тогда суммарный ток через переход П2 составит

. (14.1)

Но по первому закону Кирхгофа ток в неразветвлённой цепи одинаков на любом её участке, следовательно

, (14.2)

где I – ток во внешней цепи.

Так как , , тогда из выражений (14.1) и (14.2) можно записать , причём a₂ > a₁.

Регенеративный процесс (из-за внутренней положительной обратной связи) учитывается коэффициентом лавинного умножения М. С учётом этого коэффициента получим

. (14.3)

Следовательно, ток закрытого динистора определяется обратным током перехода П2. В лекции 1 было отмечено, что с ростом обратного напряжения возрастает обратный ток закрытого p-n перехода, а в лекции 9 – что этот ток возрастает и с ростом температуры.

На рис. 6.3 была показана зависимость коэффициента передачи тока эмиттера транзистора от величины тока эмиттера. Из рисунка следует, что для малых значений тока a

При приложении к динистору обратного напряжения переходы П1 и П3 закрыты, и динистор остаётся закрытым до напряжения лавинного пробоя (напряжения Зенера U_{обр.макс}), которое примерно равно напряжению включения. Если превысить величину напряжения Зенера, то переходы П1 и П3 будут пробиты, и динистор выйдет из строя.

С ростом температуры напряжение включение будет уменьшаться, так как при нагреве возрастает обратный ток перехода П2, и регенеративный процесс включения начинается при меньшем напряжении.

Время переключения в открытое состояние составляет единицы микросекунд, так как регенеративный процесс нарастает очень быстро. Открывание динистора – процесс обратимый. Чтобы регенеративный процесс в переходе П2 не прекращался, через динистор должен проходить ток, поддерживающий этот процесс. Минимальная величина прямого тока, при котором существует регенеративный процесс, называется током удержания. Для закрывания динистора нужно просто уменьшить ток через него до величины, меньшей тока удержания. Однако время выключения будет примерно в 10 раз больше, чем время включения, так как требуется рассасывание зарядов, насыщавших переход П2.

Существенным недостатком динисторов является невозможность перевода их в открытое состояние при напряжениях во внешней цепи, меньше чем напряжение включения. Этот недостаток устранён в тиристоре.

Рассмотрим работу управляемого четырёхслойного полупроводникового прибора – тиристора. Структура тиристора представлена на рис. 14.5.

Рис. 14.5. Структура тиристора

Тиристор отличается от динистора наличием управляющего электрода УЭ, который подключён к слою р₃, и на который подаётся положительное относительно катода напряжение U_упр.

Для тиристоров специально выбирают режим внешней цепи Е_А I_УПР1) напряжение включения уменьшается. Если ток управления будет достаточно большим, то тиристор будет открываться при минимальном напряжении на аноде. Участок отрицательного сопротивления на вольтамперной характеристике исчезнет, то есть соединятся участки 1 и 3 (рис. 14.4). Такой управляющий ток называется током управления спрямления (I_{УПР.СПР}).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: "Что-то тут концом пахнет". 8267 — | 7904 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно