Тиристор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Символ тиристора

Тири́стор — це перемикальний напівпровідниковий прилад, що проводить струм тільки в одному напрямку. Цей радіоелемент часто порівнюють з керованим діодом і називають напівпровідниковим керованим вентилем (англ. Silicon Controlled Rectifier, SCR).

Тиристор має три виводи: анод, катод, та керуючий електрод — використовується для переведення тиристора у відкритий стан.

Тиристор поєднує в собі функції випрямляча та вимикача. Часто він використовується як регулятор, головним чином, коли схема живиться змінною напругою. Основні властивості тиристора:

  • тиристор, як і діод, проводить струм в одному напрямку, проявляючи себе як випрямляч;
  • тиристор переводиться з вимкненого стану в увімкнений при подачі сигналу на керуючий електрод і, як вимикач, має два стійкі стани. Проте для повернення тиристора у вимкнений стан необхідно виконати спеціальні умови;
  • керуючий струм, необхідний для переводу тиристора із вимкненого стану в увімкнений, є малим, порівняно зі струмом який може проходити в напрямку анод - катод (декілька міліампер при робочому струмі в декілька ампер і навіть в декілька десятків ампер).
  • середній струм через навантаження, включене послідовно з тиристором, можна точно регулювати залежно від тривалості сигналу на керуючому електроді. Тиристор в цьому випадку працює як регулятор потужності.

Пристрій і основні види тиристорів[ред.ред. код]

Мал. 1. Схеми тиристоров:
  • основна чотиришароваp-n-p-n-структура;
  • діодний тиристор;
  • тріодний тиристор

Пристрій тиристорів показано на мал. 1 Тиристор складається з чотирьох напівпровідникових (шарів), з'єднаних послідовно і відрізняються типами провідності: p-n-p-n. p‑n‑переходи-переходи між провідниками на малюнку позначені як «J1», «J2» і «J3». Контакт до зовнішнього p-шару називається анодом, до зовнішнього n-шару - катодом. У загальному випадку p-n-p-n-прилад може мати до двох керуючих електродів (баз), приєднаних до внутрішніх шарів. Подачею сигналу на керуючий електрод здійснюється управління тиристором (зміна його стану).

Прилад, який не містить керуючих електродів називається доданими тиристором або діністоров. Такі прилади управляються напругою, прикладеним між основними електродами.

Прилад, що містить один керуючий електрод, називають триодного тиристором або тріністором (іноді просто тиристором, хоча це не зовсім правильно). Залежно від того, до якого прошарку напівпровідника підключений керуючий електрод, тріністори бувають керованими по анода і по катода. Найбільш поширені останні.

Описані вище прилади бувають двох різновидів: пропускають струм в одному напрямку (від анода до катода) і пропускають струм в обох напрямках. У останніх ВАХ симетрична, тому відповідні прилади називаються симетричними. Симетричні прилади виготовляються з п'яти шарів напівпровідників. Симетричний тринистор називається також симистором або ТРИАКОМ (від англ. Triac). Слід зауважити, що замість симетричних динисторов, часто застосовуються їх схемотехнічні аналоги, в тому числі і інтегральні, що володіють зазвичай кращими параметрами.

Тиристори, що мають керуючий електрод, діляться на замикаються і незапіраемие. Незапіраемие тиристори не можуть бути переведені в закритий стан (що відображено в їх назві) за допомогою сигналу, що подається на керуючий електрод. Такі тиристори закриваються, коли протікає через них струм стає менше струму утримання. На практиці це зазвичай відбувається в кінці напівхвилі мережевої напруги.

Вольт-амперна характеристика тиристора[ред.ред. код]

Типова ВАХ тиристора, який проводить в одному напрямку (з керуючими електродами або без них), наведена на мал. 2. Опис ВАХ:

крива ВАХ на ділянці, обмеженій прямокутником з координатами вершин (0; 0) і (Vвo; IL) (нижня гілка), відповідає високому опору приладу (прямому замикання приладу);

точка (Vвo; IL) відповідає моменту включення тиристора (переключення динистора у включене стан);

крива ВАХ на ділянці, обмеженій прямокутником з координатами вершин (Vвo; IL) і (V н; Iн), відповідає переключенню приладу під включене стан (нестійка область). Судячи з того, що крива має S-подібну форму, можна зробити висновок про те, що опір тиристора негативне диференціальний. Коли різниця потенціалів між анодом і катодом тиристора прямоїполярності перевищить величину Vво, відбудеться відмикання тиристора (діністорний ефект);

крива ВАХ від точки з координатами (Vн; Iн) і вище відповідає відкритого стану приладу (прямий провідності);

на графіку показані ВАХ з різними струмами управління IG (струмами на керуючому електроді тиристора): IG = 0; IG> 0; IG >> 0. Чим більше струм IG, тим при меншій напрузі Vвo відбувається перемикання тиристора в провідний стан;

пунктиром позначена крива ВАХ, відповідна протіканню в ланцюзі струму IG >> 0 - так званого «струму включення випрямлення». При такому струмі тиристор переходить в провідний стан при мінімальній різниці потенціалів між анодом і катодом. Для перекладу тиристора в непроводящее стан необхідно знизити струм в ланцюзі анод-катод нижче струму включення випрямлення;

крива ВАХ на ділянці від VBR до 0 відповідає режиму зворотного замикання приладу;

крива ВАХ на ділянці від - до VBR відповідає режиму зворотного пробою.

Вольтамперная характеристика симетричних тиристорів відрізняється від наведеної на мал. 2 тим, що крива в третій чверті графіка повторює ділянки 0-3 [прояснити] симетрично відносно початку координат.

За типом нелінійності ВАХ тиристор відносять до S-приладів.

Режими роботи триодного тиристора[ред.ред. код]

Режим зворотнього запирання[ред.ред. код]

Мал. 3. Режим зворотнього запирання тиристора

Два основні чинники обмежують режим зворотного пробою і прямого пробою:

  1. пробій;
  2. прокол збідненої області.

У режимі зворотного замикання до анода приладу докладено напругу, негативне по відношенню до катода; переходи J1 і J3 зміщені у зворотному напрямку, а перехід J2 зміщений в прямому (див. мал. 3). У цьому випадку велика частина прикладеної напруги падає на одному з переходів J1 або J3 (в залежності від ступеня легування різних областей). Нехай це буде перехід J1. Залежно від товщини Wn1 шару n1 пробій викликається лавинним множенням (товщина збідненої області при пробої менше Wn1) або проколом (збіднений шар поширюється на всю область n1, і відбувається змикання переходів J1 і J2).

Режим прямого запирання[ред.ред. код]

При прямому замиканні напруга на аноді позитивно по відношенню до катода і назад зміщений тільки перехід J2. Переходи J1 і J3 зміщені в прямому напрямку. Велика частина прикладеної напруги падає на переході J2. Через переходи J1 і J3 в області, що примикають до переходу J2, инжектируются неосновні носії, які зменшують опір переходу J2, збільшують струм через нього і зменшують падіння напруги на ньому. При підвищенні прямої напруги струм через тиристор спочатку росте повільно, що відповідає ділянці 0-1 на ВАХ. В цьому режимі тиристор можна вважати замкненим, так як опір переходу J2 все ще дуже велика. У міру збільшення напруги на тиристорі знижується частка напруги, що падає на J2, і швидше зростають напруги на J1 і J3, що викликає подальше збільшення струму через тиристор і посилення інжекції неосновних носіїв в область J2. При деякому значенні напруги (близько десятків або сотень вольт), називається напругою перемикання VBF (точка 1 на ВАХ), процес набуває лавиноподібного характеру, тиристор переходить в стан з високою провідністю (включається), і в ньому встановлюється струм, який визначається напругою джерела і опором зовнішньому ланцюзі.

Двухтранзисторна модель тиристора[ред.ред. код]

Для пояснення характеристик приладу в режимі прямого замикання використовується двухтранзісторного модель. Тиристор можна розглядати як з'єднання p-n-p транзистор з n-p-n транзистором, причому колектор кожного з них з'єднаний з базою іншого, як показано на мал. 4 для триодного тиристора. Центральний p-n перехід діє як колектор дірок, інжектіруемих переходом J1, і електронів, інжектіруемих переходом J3. Взаємозв'язок між струмами емітера , колектора и бази і статичним коефіцієнтом посилення по струму p-n-p транзистора також приведена на мал. 4, где  — зворотний струм насичення переходу колектор-база.

Мал. 4. Двухтранзисторна модель тріодного тиристора, з'єднання транзисторів і співвідношення струмів в p-n-p транзисторі

Аналогічні співвідношення можна отримати для n-p-n транзистора при зміні напрямку струмів на протилежне. З мал. 4 випливає, що колекторний струм n-p-n транзистора є одночасно базовим струмом p-n-p транзистора. Аналогічно колекторний струм p-n-p транзистора і керуючий струм втікають в базу n-p-n транзистора. В результаті, коли загальний коефіцієнт посилення в замкнутій петлі перевищить 1, виявляється можливим лавиноподібний процес збільшення струму через структуру, при цьому напруга на приладі стає рівним порядку 1 В і струм обмежений тільки опором зовнішнього ланцюга.

Струм бази p-n-p транзистора дорівнює . Цей струм також протікає через колектор n-p-n транзистора.

Струм колектора n-p-n транзистора з коефіцієнтом посилення дорівнює

Прирівняв и , отримаємо:

Так як то:

Мал. 5. Енергетична зонна діаграма в режимі прямого зміщення: стан рівноваги, режим прямого замикання і режим прямої провідності

Це рівняння описує статичну характеристику приладу в діапазоні напруг аж до пробою. Після пробою прилад працює як p-i-n-діод. Відзначимо, що всі складові в чисельнику правої частини рівняння малі, отже, поки член струм малий. Коефіцієнти

залежать від і ростуть зі збільшенням струму аж до високих його величин. якщо то знаменник дробу в наведеній формулі для анодного струму звертається в нуль, ток зростає і відбувається прямий оборотний пробій (або включення тиристора).

Якщо полярність напруги між анодом і катодом змінити на зворотну, то переходи J1 і J3 будуть зміщені у зворотному напрямку, а J2 - в прямому. При таких умовах включення приладу не відбувається, оскільки як емітер носіїв заряду працює тільки центральний p-n перехід і лавиноподібний процес наростання струму стає неможливим.

Ширина збіднених шарів і енергетичні зонні діаграми в рівновазі, в режимах прямого замикання і прямий провідності показані на мал. 5. При нульовій напрузі на приладі збіднена область кожного переходу і контактні потенціали визначаються тільки профілем розподілу домішок. Коли до анода прикладена позитивна напруга, перехід J2 прагне зміститися в зворотному напрямку, а переходи J1 і J3 - в прямому. Падіння напруги між анодом і катодом одно алгебраїчній сумі падінь напруги на переходах: . При підвищенні напруги зростає струм через прилад і, отже, збільшуються и

Завдяки регенеративній характеру цих процесів прилад зрештою перейде у відкритий стан. Після включення тиристора протікає через нього струм повинен бути обмежений зовнішнім опором навантаження, в іншому випадку при досить високому струмі тиристор вийде з ладу. У включеному стані перехід J2 зміщений в прямому напрямку (мал. 5, в), і падіння напруги приблизно дорівнює сумі напруги на одному прямосмещенного p-n переході і напруги колектор-емітер насиченого транзистора.

Двухтранзісторного модель використовується не тільки для вивчення і опису процесів, що відбуваються в тиристорі. Включення p-n-p і n-p-n реальних транзисторів за наведеною схемою є схемотехническим аналогом тиристора і іноді використовується в електронній апаратурі.

Режим прямої провідності[ред.ред. код]

Коли тиристор знаходиться у включеному стані, всі три переходи зміщені в прямому напрямку. Дірки інжектируются з області p1, а електрони - з області n2, і структура n1-p2-n2 поводиться аналогічно насиченому транзистору з віддаленим доданими контактом до області n1. Отже, прилад в цілому аналогічний p-i-n (p + -i-n +) - діоду.

Ефект dU / dt[ред.ред. код]

При подачі напруги прямої полярності на анод і катод тиристора зі швидкістю понад деякої критичної dU / dt> dUкріт / dt відбудеться відкриття p-n-p-n структури. Механізм даного ефекту обумовлений наявністю паразитної ємності анод-керуючий електрод. Даний ефект обмежує використання тиристорів в високочастотних схемах, хоча іноді застосовується для управління тиристором. Параметр dUкріт / dt вказується в довідниках на кожну модель тиристора.

Ефект di / dt[ред.ред. код]

Если ток, протекающий через тиристор в прямом направлении (в открытом состоянии) будет возрастать со скоростью более некоторой критической di/dt > diкрит/dt, то произойдёт разрушение структуры и выход тиристора из строя, что объясняется ограниченным ростом площади протекания носителей, увеличением плотности тока и локальным тепловым пробоем. Параметр diкрит/dt является справочным и указывается в каталогах на каждую модель тиристора

Характеристики тиристорів[ред.ред. код]

Сучасні тиристори виготовляють на струми від 1 мА до 10 кА; на напруги від декількох В до декількох кВ; швидкість наростання в них прямого струму досягає 109 А / с, напруги - 109 В / с, час включення складає величини від декількох десятих долей до декількох десятків мкс, час вимикання - від декількох одиниць до декількох сотень мкс; ККД досягає 99%. До поширених вітчизняним тиристорам можна віднести прилади КУ202 (25-400 В, струм 10 А), до імпортних - MCR100 (100-600 В, 0.8 А), 2N5064 (200 В, 0.5 A), C106D (400 В, 4 А) , TYN612 (600 В, 12 А), BT151 (800 В, 7.5-12 А) та інші. Також слід пам'ятати, що не всі тиристори допускають додаток зворотної напруги, який можна порівняти з допустимим прямим напругою.

Класи тиристорів[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]