Dispozitivul și parametrii tiristoarelor

Un tiristor este un dispozitiv semiconductor cu trei (sau mai multe) joncțiuni p-n, a cărui caracteristică curent-tensiune are o secțiune de rezistență diferențială negativă și care este utilizat pentru comutarea în circuitele electrice.

Cel mai simplu tiristor cu două ieșiri este un tiristor cu diodă (dinistor). Tiristorul triodă (SCR) are în plus un al treilea electrod (de control). Atât tiristoarele cu diodă cât și cu triodă au o structură cu patru straturi cu trei joncțiuni p–n (Fig. 1).

Zonele de capăt p1 și n2 sunt numite anod și, respectiv, catod, un electrod de control este conectat la una dintre zonele mijlocii p2 sau n1. P1, P2, P3- tranziții între p- și n-regiuni.

O sursă E a tensiunii externe de alimentare este conectată la anod cu un pol pozitiv în raport cu catodul. Dacă curentul Iу prin electrodul de control al tiristorului triodă este zero, funcționarea acestuia nu diferă de funcționarea diodei. În unele cazuri, este convenabil să se reprezinte tiristorul ca un circuit echivalent cu două tranzistoare, folosind tranzistoare cu diferite tipuri de conductivitate electrică p-n-p și n-R-n (Fig. 1, b).

Smochin. 1.Structura (a) și circuitul echivalent cu doi tranzistori (b) al unui tiristor triodă

După cum se poate observa din fig. 1, b, tranziția P2 este o tranziție de colector comună a celor două tranzistoare din circuitul echivalent, iar tranzițiile P1 și P3 sunt joncțiuni emițătoare. Pe măsură ce tensiunea directă Upr crește (care se realizează prin creșterea fem-ului sursei de alimentare E), curentul tiristorului crește ușor până când tensiunea Upr se apropie de o anumită valoare critică a tensiunii de ruptură, egală cu tensiunea de pornire Uin (Fig. . 2).

Orez. 2. Caracteristicile curent-tensiune și denumirea convențională a unui tiristor triodă

Cu o creștere suplimentară a tensiunii Upr sub influența unui câmp electric în creștere în tranziția P2, se observă o creștere bruscă a numărului de purtători de sarcină formați ca urmare a ionizării prin impact în timpul ciocnirii purtătorilor de sarcină cu atomii. Ca rezultat, curentul de joncțiune crește rapid pe măsură ce electronii din stratul n2 și găurile din stratul p1 se repetă în straturile p2 și n1 și le saturează cu purtători de sarcină minoritari. Cu o creștere suplimentară a EMF a sursei E sau o scădere a rezistenței rezistorului R, curentul din dispozitiv crește în conformitate cu secțiunea verticală a caracteristicii I — V (Fig. 2)

Curentul minim direct la care tiristorul rămâne pornit se numește curent de menținere Isp. Când curentul direct scade la valoarea Ipr <Isp (ramură descendentă a caracteristicii I — V din Fig. 2), rezistența mare a conexiunii este restabilită și tiristorul se oprește. Timpul de recuperare a rezistenței joncțiunii p — n este de obicei 1 — 100 µs.

Tensiunea Uin la care începe o creștere a curentului de tip avalanșă poate fi redusă prin introducerea suplimentară a purtătorilor de sarcină minoritari în fiecare dintre straturile adiacente joncțiunii P2. Acești purtători de sarcină suplimentari cresc numărul de acțiuni de ionizare în joncțiunea P2 p-n și, prin urmare, tensiunea de pornire Uincl scade.

Purtători de încărcare suplimentari în tiristorul triodă prezentat în Fig. 1, sunt introduse în stratul p2 printr-un circuit auxiliar alimentat de o sursă de tensiune independentă. Măsura în care tensiunea de pornire scade pe măsură ce crește curentul de control este prezentată de familia de curbe din Fig. 2.

Trecând în starea deschisă (pornit), tiristorul nu se oprește chiar și atunci când curentul de control Iy scade la zero. Tiristorul poate fi oprit fie prin scăderea tensiunii externe la o anumită valoare minimă, la care curentul devine mai mic decât curentul de menținere, fie prin furnizarea unui impuls de curent negativ circuitului electrodului de comandă, a cărui valoare, totuși , este proporțională cu valoarea curentului de comutare direct Ipr.

Un parametru important al tiristorului triodă este curentul de comandă de deblocare Iu on — curentul electrodului de control, care asigură comutarea tiristorului în stare deschisă. Valoarea acestui curent ajunge la câteva sute de miliamperi.

Smochin. 2 se poate observa că atunci când tiristorului i se aplică o tensiune inversă, apare un curent mic în acesta, deoarece în acest caz tranzițiile P1 și P3 sunt închise. Pentru a evita deteriorarea tiristorului în direcția inversă (care scoate tiristorul din funcțiune din cauza defectării termice a cursei), este necesar ca tensiunea inversă să fie mai mică decât Urev.max.

În tiristoarele cu diode și triode simetrice, caracteristica inversă I — V coincide cu cea directă. Acest lucru se realizează prin conectarea anti-paralelă a două structuri identice cu patru straturi sau prin utilizarea structurilor speciale cu cinci straturi cu patru joncțiuni p-n.

Orez. 3. Structura unui tiristor simetric (a), reprezentarea sa schematică (b) și caracteristica curent-tensiune (c)

În prezent, tiristoarele sunt produse pentru curenți de până la 3000 A și tensiuni de pornire de până la 6000 V.

Principalele dezavantaje ale majorității tiristoarelor sunt controlabilitatea incompletă (tiristorul nu se oprește după îndepărtarea semnalului de control) și viteza relativ scăzută (zeci de microsecunde). Recent, însă, au fost create tiristoare în care primul dezavantaj a fost înlăturat (tiristoarele de blocare pot fi oprite folosind curentul de control).

Potapov L.A.