Что такое тиристор, как он устроен и работает

Впервые что такое тиристор было рассказано в работе американского физика Уильяма Шокли, написанной в 1956 году. Ученый, правда, назвал разработанное им устройство весьма громоздким термином: «двойной диод с четырьмя чередующимися полупроводниковыми слоями». В июле 1957 года фирма General Electric представила первую модель промышленного тиристора под названием «выпрямитель с кремниевым управлением».

Своё современное название устройство получило благодаря Джуэллу Эберсу. Чтобы получить термин «тиристор», он воспользовался греческим и английским языком. Из первого было взято слово hyra, означающее вход, дверь, а из второго — resistor или сопротивляющийся. Эберсу также удалось усовершенствовать структуру, предложенную Шокли, до того вида, который специалисты по электронным приборам могут наблюдать и в наше время.

Устройство и назначение

Тиристором называют полупроводниковый элемент с частичным управлением. Он способен пребывать в закрытом и открытом состоянии. Когда элемент закрыт, он электроток не проводит и, конечно, в открытом состоянии проводит. Управление является частичным, поскольку в проводящее состояние элемент переключается при воздействии управляющего импульса, а закрывается тогда, когда ток в силовой электрической цепи снижается до некоторого значения. Если говорить простыми словами, этот полупроводниковый элемент можно включить, но невозможно выключить. В проводящее состояние он переходит лавинообразно, о чем свидетельствует вольт-амперная характеристика тиристора (ВАХ).

Структура тиристора основывается на монокристаллическом полупроводнике с тремя или больше переходами типа p-n. Как правило, у него три вывода. С помощью одного из них происходит управление, а два других нужны для прохождения тока. Поскольку в качестве полупроводника обычно используется кремний, то в зарубежной литературе данные элементы называют кремниевыми выпрямителями (SCR).

Как видим, устройство тиристора не отличается сложностью. Структура элемента позволяет представить его как два транзистора с разной проводимостью. База в такой схеме соединяется с коллектором, а эммитеры заменяют анод и катод.

Современный тиристор по сути — это мощный двухпозиционный выключатель. Его можно встраивать в различные виды промышленного оборудования, работающего в схемах с использованием как постоянного, так и переменного электротока. Назначение любого тиристора — преобразование переменного электротока в постоянный. Этот элемент может функционировать лишь в режиме коммутации, он не способен самостоятельно переходить в закрытое положение. Поэтому основное применение современных тиристоров — управление довольно внушительными нагрузками за счет использования слабых сигналов.

Основные типы

Классификация тиристоров основывается на нескольких факторах. Во-первых, это количество выводов. Если их два, это динистор или диодный тиристор, три — тринистор, а также его называют триодным, а с четырьмя — тетродным тиристором. А еще есть симистор — симметричный тиристор, обладающий способностью включаться при напряжении любой полярности.

Выделяют также виды тиристоров, отталкиваясь от способа запирания и проводимости. Первые могут быть запираемыми и незапираемыми, а последние — обратнопроводящими, с ненормируемой обратной проводимостью, проводящими в прямом и обратном направлении.

Есть элементы, способные коммутировать довольно внушительные токи. Это силовые тиристоры. Они выпускаются в корпусах из металла, хорошо отводящих тепло.

Существуют и другие виды тиристоров, среди которых особый интерес представляют:

• Кремниевые управляемые переключатели (SCS). Они имеют дополнительный анодный затвор, который используется для отключения устройства при подаче положительного напряжения.
• Гибриды «тиристор-диод», имеющие четыре слоя и принимающие ток, который течёт в любом направлении. Они могут работать как с переменным, так и с постоянным током.
• Двунаправленные, способные проводить электрический ток в любом направлении.
• Симисторы, работающие без управляющей сетки и реагирующие только на кратковременные скачки напряжения.
• Тиристорный светодиод является отличной альтернативой тем элементам, которые на сегодняшний день используются в осветительных приборах. Он долговечен, потребляет мало электроэнергии, имеет небольшие габариты.
• Биполярные с изолированным затвором, имеющие четыре слоя и три вывода, но предназначенные для работы исключительно в качестве транзистора.
• Фазные, используемые для ограничения переменного тока путём переключения оборудования в проводящее состояние (и из него) через заданные интервалы времени.

Размерный ряд и маркировка данных элементов отечественного производства должна соответствовать ГОСТ 23900–87. Условное обозначение на схеме тиристора приведено на рисунке ниже.

Тиристоры всех типов обладают рядом достоинств. Среди них:

• Быстродействие и возможность переключения токов за микросекунды.
• Возможность управления высокими напряжениями и мощностями.
• Отсутствие движущихся частей и высокая надёжность.
• Возможность управления устройствами не только переменного, но и постоянного тока.
• Быстрая и простая активация.
• Низкая стоимость.
• Простота эксплуатации.
• Малые размеры.

При подборе должны учитываться основные параметры тиристоров.

Принцип работы

Контакты тиристора называют катодом, анодом и сеткой. Условное обозначение катода указывается стрелкой, но можно встретить также и буквенные обозначения К (катод), А (анод), С (сетка).

Чтобы ток протекал в соответствии с требованиями, потенциал анода должен быть выше потенциала катода. Как только электрозаряды начинают двигаться по четырём слоям кремния, каждый из них активируется поочерёдно. После активации всех слоев ток может свободно течь через тиристор. В этот момент  устройство начинает работать в прямом направлении. Если оно перешло во включённое состояние, то будет оставаться в нем до тех пор, пока внешний ток не упадет до нуля или не изменит свое первоначальное направление. Последнее явление в электронике известно как обратное смещение или обратное напряжение.

Тиристоры старых типов выключались за счет реверсирования электротока. Деактивация современных моделей осуществляется управляемым вентилем. Такой тип устройств получил название тиристоров с затвором.

Как видим, принцип работы тиристора такой же, как у переключателя, но только открываются эти элементы при поступлении напряжения, а запираются при пропадании электротока. В электросхемах, функционирующих с использованием постоянного и переменного напряжения, тиристоры работают по-разному. В первых подключение элемента происходит при появлении кратковременного импульса между анодом и УЭ, а запирание — после снятия напряжения.

В схемах, предназначенных для работы с переменным напряжением, тиристор закрывается «автоматически» в результате падения силы электротока ниже порога удержания. В данном случае элемент способен пропускать лишь верхнюю полуволну синусоиды тока. При поступлении нижней полуволны элемент закрывается. Поэтому тиристоры способны проводить электроток лишь в одном направлении. Схема включения тиристора в электрическую цепь с разными типами тока представлена на рисунке ниже.

Чтобы понять, как работает тиристор, следует изучить его вольт-амперную характеристику. Например, при рассмотрении ВАХ диодного тиристора, изображенной на рисунке ниже, можно сделать вывод, что у него пять рабочих режимов. График включает положительную и отрицательную ветви, которые находятся в первом и третьем квадрантах. Последняя содержит участок, соответствующий закрытому состоянию элемента — от 0 до U пробоя. Если напряжение достигает своего порога, наблюдается лавинный пробой.

На участке от 0 до 1 ток медленно растет, а когда он достигает определенного уровня, элемент скачкообразно открывается (участок от 1 до 2). Участок между точками 2 и 3 соответствует режиму обычного диода.

Процесс перехода элемента в открытое состояние после достижения электротоком определенного уровня получил название динисторного эффекта. Подобное свойство присуще и трехэлектродным тиристорам, но данные элементы крайне редко используются в таком режиме. Разрабатывая схемы с применением тринистора, стараются избегать зоны ВАХ, соответствующей медленному нарастанию электротока. Этот элементы наделен управляющим электродом, поэтому включение осуществляется с его помощью.

Схемы управления

Рассматривая, как устроены тиристоры и их принцип работы, становится понятно, что они переходят из одного рабочего состояния в другое скачкообразно и при наличии внешнего воздействия, в качестве которого может выступать ток или фотоны (с их помощью управляются фототиристоры).

Как правило, используются тиристоры с тремя выводами: управляющим электродом (УЭ), катодом (К) и анодом (А). Такой элемент получил название «тринистор». Основная функция УЭ — включать и выключать электронный ключ. Тринистор открывается при условии, что напряжение между А и К сравнивается с рабочим напряжением или превышает его. В последнем случае между УЭ и К должен возникнуть импульс положительной полярности. Тринистор, силовой и любой другой тиристор способен пребывать в открытом состоянии бесконечно долго при условии постоянной подачи питающего напряжения. Чтобы закрыть его можно:

Для управления тиристорами используются следующие способы:

• Амплитудный. На УЭ подается положительное напряжение изменяющейся величины. Изменяя величину напряжения, можно изменять время открытия тиристора.
• Фазовый. Заключается в смене фазы управляющего напряжения.
• Фазово-импульсный. Используется импульс напряжения с крутым фронтом, который подается на УЭ. Этот способ на данный момент является самым распространенным.

Любая схема, используемая для управления тиристором, предназначена создавать управляющий сигнал, необходимый для надежного отпирания. Электронный ключ будет пребывать в закрытом состоянии до тех пор, пока на УЭ не поступит соответствующий импульс. Время от нулевой точки его синусоиды до момента срабатывания тиристора измеряется в градусах и называется углом среза фазы α или углом управления (отпирания). Изменяя время возникновения управляющего импульса, можно менять угол управления и, следовательно, среднее значение выпрямленного электротока.

Функциональные свойства тиристоров, определяемые их структурой, используются при создании устройств для автоматизации многих производственных процессов, а также разнообразных систем жизнеобеспечения. Эти элементы устанавливаются в транспортном и электроэнергетическом оборудовании, телекоммуникационной аппаратуре, в системах управления асинхронными электродвигателями.

Видео по теме