§ 94. Основные сведения об управляемых кремниевых вентилях
Силовой кремниевый управляемый вентиль (тиристор) имеет четырехслойную структуру типа р—п—р—п. Между кремниевыми пластинами с различными типами проводимости в тиристоре образуются три электронно-дырочных перехода П1, Π2, Π3 (рис. 94-1).
Тиристор имеет два силовых вывода — анодный А и катодный К и один электрод управления ЭУ.
Физические процессы в тиристорах значительно сложнее, чем в диодах, и достаточно подробно изучаются в специальных курсах, поэтому здесь рассмотрены лишь общие принципы работы тиристоров.
Рис. 94-1. Схема четырехслойной монокристаллической структуры тиристора
Тиристор может быть в трех стабильных состояниях: 1) закрытом при подаче положительного потенциала на анод и отсутствии тока в цепи управляющего электрода, 2) закрытом при положительном потенциале на катоде и 3) открытом, когда от анода к катоду протекает рабочий ток.
В закрытом состоянии при положительном потенциале на аноде к переходу П2 будет приложено обратное напряжение, а к переходам П1 и П3 — прямое. При положительном потенциале на катоде обратное напряжение будет приложено к последовательно соединенным переходам П1 и П3 — прямое — к переходу П2.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики тиристора состоит из трех участков (рис. 94-2). При отсутствии тока в цепи управляющего электрода на участке I тиристор заперт, несмотря на наличие между анодом и катодом значительного прямого напряжения. При увеличении прямого напряжения до напряжения переключения Un происходит переход с участка I на участок II. Участок II является участком с лавинообразным процессом переключения, участок III — рабочим и соответствует открытому состоянию тиристора. Этот участок аналогичен прямой вольт-амперной характеристике диода.
При подаче на электрод управления тока напряжение переключения снижается (см. рис. 94-2). Если ток управления еще более увеличить, то прямая характеристика спрямляется и не
имеет участков I и II. Такой ток управления называется током спрямления.
Рис. 94-2. Вольт-амперная характеристика тиристора
При перемене знака внешнего напряжения на тиристоре аналогично диоду образуется обратная ветвь вольт-амперной характеристики. При этом напряжение переключения Un примерно равнj предельному напряжению обратного напряжения Uпр (см. рис. 94-2).
Обозначение тиристоров в схемах приведено на рис. 94-3, а. Специфические особенности тиристоров не исчерпываются особенностью прямой вольт-амперной характеристики.
Рис. 94-3. Обозначение управляемых вентилей в схемах:
а — тиристор; б — симистор; в — тиристорный аналог симистора
Тиристор может отпираться без тока в цепи управления не только большим напряжением в прямом направлении, но и при большой скорости нарастания прямого напряжения. Для защиты от этого паразитного отпирания параллельно тиристору присоединяют емкость, которая сглаживает возникающие перенапряжения.
Следующим недостатком тиристоров является необходимость ограничения скорости нарастания прямого тока.
Рис. 94-4. Иллюстрация работы тиристора в однофазной однополупериодной схеме: а — схема включения; б — диаграммы токов и напряжений; в — диаграмма управляющих импульсов
При подаче тока на электрод управления прямой ток через тиристор проходит не сразу по всей площади перехода. Этот ток протекает сначала вблизи электрода управления, и лишь позднее распространяется на всю площадь р—n-nереходa.
Высокая начальная плотность прямого тока создает перегрев перехода и может привести к разрушению тиристора. Этот недостаток устраняется путем включения в цепь тиристоров быстронасыщающихся дросселей.
К управляемым вентилям относится также и симистор.
Симистор имеет пятислойную структуру с электронно-дырочной проводимостью. Тиристорный аналог симистора приведен на рис. 94-3, в. Симистор имеет один электрод управления и в зависимости от потенциала, подаваемого на этот электрод, симистор открывается в том или в другом направлении.
Вольт-амперная характеристика симистора представляет сдвоенную характеристику тиристора, т. е. на характеристику тиристора (см. рис. 94-2) следует наложить аналогичную характеристику, повернутую на 180°.
Регулирование выпрямленного напряжения и тока при помощи тиристоров и симисторов по существу сводится к изменению их средних величин за период путем изменения угла отпирания а (рис. 94-4).
При этом следует отметить, что тиристоры и симисторы работают в режиме тиратронов, т. е. при помощи сдвига угла отпирания можно менять момент начала работы вентиля, а прекращение тока в цепи вентиля возможно лишь при переходе напряжения через нуль.