Вольт-амперная характеристика и параметры тиристора

ТИРИСТОРЫ

Тиристоры (или более полно – триодные тиристоры) представ­ляют собой полупроводни-ковые выпрямительные элементы, способ­ные под действием прямого приложенного напряжения переключать­ся из одного устойчивого состояния в другое. Они предназначены для бесконтактной коммутации (включения и выключения) элект­рических цепей. От других полупроводниковых элементов, которые также могут использоваться в качестве бесконтактных коммутато­ров, тиристоры отличаются чрезвычайно высоким быстродействием (оно исчисляется всего десятками микросекунд) и способностью ком­мутировать токи весьма значительной величины (вплоть до 1000 А). Тиристоры оформлены так же, как и обычные выпрямительные дио­ды. Однако они снабжены не двумя, а тремя выводами. Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.

На вольт-амперной характеристике тиристора (рис. 22) можно выделить пять характерных участков 1 –5. Участки 1–3 составляют прямую ветвь, а 4 и 5 – обратную. Сравнение обратных ветвей вольт-амперных характеристик тиристора и выпрямительного диода показывает, что они ничем не отличаются. Если к тиристору прило­жено обратное напряжение, не превосходящее допустимое значение U_обр.mах, тиристор оказывается запертым и ток через него практи­чески не протекает. Это соответствует рабочему участку 4 обратной ветви, которая, так же как и у выпрямительных диодов, характери­зуется весьма малым обратном током I _oбр. Участок 5 не является рабочим и лежит в области недопустимых значений обратного напря­жения, при которых тиристор разрушается вследствие развития пробойных явлений.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики тиристора прин­ципиально отличается от прямой ветви вольт-амперной характери­стики диода. При переходе от обратного напряжения к прямому, когда на анод А тиристора подается положительный потенциал, а на катод К. — отрицательный, тиристор продолжает оставаться запер­тым (участок 1). Незначительный прямой ток, который при этом про­текает через запертый тиристор, обозначают I _зкр. Значение этого то­ка примерно равно значению обратного тока I _обр. При дальнейшем увеличении прямого напряжения U _пр(до значения U_{пр. о}) тиристор по-прежнему остается запертым. Если при этом ток I _у через управ­ляющий электрод равен нулю, то только при достижении прямым на­пряжением значения U_пр.₀ тиристор отпирается: сопротивление и падение напряжения между анодом и катодом резко уменьшаются, а прямой ток возрастает в тысячи раз, практически ограничиваясь лишь сопротивлением внешней цепи (участок 3 вольт-амперной ха­рактеристики). Переключение происходит практически мгновенно, занимая 5—40 мкс. На рис. 22 характеристика переключения ус­ловно изображена штриховой линией 2.

При приложенном к управляющему электроду внешнем напряже­нии и при протекании через этот электрод тока I _У1 в направлении, указанном на рис. 22, прямое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние, уменьшается до значения U _{пр. 1}. Если управляющий ток увеличить еще больше, например, до значе­ния I _У2, то напряжение переключения, в свою очередь, уменьшится еще больше до значения U _{пр. 2} и т.д. При некотором значении управ­ляющего тока I _у3 прямая ветвь вольт-амперной характеристики ти­ристора перестает содержать свойственные ей участки 1 и 2 и состо­ит лишь из одного участка 3, превращаясь в прямую ветвь вольт-амперной характеристики выпрямительного диода. Таким обра­зом, тиристор подобен управляемому переключателю, в котором на­пряжение переключения изменяют с помощью управляющего тока.

Открытый тиристор теряет способность закрываться по управля­ющему электроду, и восстановить его запирающие свойства можно одним единственным образом – снизив прямое напряжение до ну­ля или кратковременно подав на него небольшое обратное напряже­ние. В зависимости от конкретного типа тиристора процесс его вы­ключения длится всего 25-250 мкс, т.е. происходит практически мгновенно.

Из рассмотренной вольт-амперной характеристики тиристора видно, что она может быть задана следующими электрическими пара­метрами I _пр.max — предельно допустимый постоянный или средний за период прямой ток; U _{пр. о} , U _обр..max – соответственно предельно допустимое прямое и обратное напряжение; I _зкр, I _обр – соответственно прямой и обратный ток утечки запертого тиристора; I _{с п}, U _{с п} — ток и напряжение спрямления, т.е. ток и напряжение управляющего электрода при напряжении, при котором проис­ходит отпирание тиристора (примерно 10 В).

Эти параметры являются справочными и наряду с некоторыми другими (длительность включения и выключения тиристора, мощ­ность, диапазон рабочих температур, масса, размеры и т.п.) приво­дятся в паспортных данных тиристоров.

Следует отметить, что в основу тиристора положена сложная четырехслойная полупроводниковая структура с тремя последова­тельно включенными p-n-переходами. Это определяет разнообразие типов тиристоров, в которых те или иные качества получают с по_; мощью особенностей технологии и способов формирования областей спи n-типами проводимости. Изображенное на рис. 22 обозначение и приведенное описание работы соответствуют запираемому в обрат­ном направлении тиристору с управлением по катоду. Кроме тиристоров этого типа, выпускаются незапираемые тиристоры с управле­нием по аноду, запираемые тиристоры с управлением по катоду или по аноду оптотиристоры (управляемые светом), тиристоры с улучшен­ными динамическими характеристиками (быстродействующие с ма­лой длительностью включения и выключения), лавинные тиристоры (с защитой от обратных перенапряжений).

В отличие от незапираемых тиристоров запираемые (рис. 23) могут быть закрыты с помощью управляющего электрода. Для этого через управляющий электрод необходимо пропустить импульс обратного управляющего тока – I _у с очень крутым фронтом и с амплитудой, примерно равной (0,1÷ 0,3) I _пр.

При освещении полупроводника светом происходит разрыв свя­зей электронов со своими атомами и образование электронно-дыроч­ных пар. Если интенсивность света достаточно велика, то энергия электронов и дырок оказывается достаточной для преодоления р-п- перехода и смещения его в прямом направлении. В оптронных ти­ристорах это приводит к возникновению прямого тока I _пр, т.е. к включению тиристора так же, как и при подаче управляющего им­пульса.

В оптоэлектронных тиристорах управление процессом включения осуществляется с помощью луча света, электрическая (гальваничес­кая) связь между входной и выходной цепями отсутствует. Это очень удобно при использовании тиристоров в различных высоковольт­ных установках, так как исключает попадание высокого напряже­ния в устройства управления. В оптоэлектронных (оптронных) ти­ристорах четырехслойная p-n-структура размещена в одном корпу­се со светоизлучающим диодом (рис. 24). Оптоэлектронные тиристо­ры на токи от 6 до 320А выпускаются прижимной, штыревой и таб­леточной конструкций. Прижимные тиристоры (на токи 6 и 10А) привинчиваются к радиатору винтами, штыревые и таблеточные (со­ответственно на токи от 40 до 160А и на токи 250 и 320А) крепятся к радиатору так же, как и выпрямительные диоды штыревой и таб­леточной конструкций.

В табл. 6 приведены основные характеристики некоторых типов тиристоров.

Благодаря широкому разбросу значений параметров у различ­ных типов тиристоров они успешно применяются в устройствах же­лезнодорожной автоматики.

Таблица 6

Тип ти­ристора	I пр. max, А	U пр. о/ U обр. max, В	I зкр/ I обр, мА	I сп, мА	U сп, B	P, Вт	∆ T, ° C
КУ101А	0,07	50/10	0,3/0,3	0,1–7	0,2–10	0,15	–60÷ +85
2У102А	0,05	50/5	0,1/0,1	–	–	0,16	–60÷ +110
КУ201Д		100/100	10/10				–60÷ +85
КУ202Г		50/50	10/10				–60÷ +85
КУ204Б		100/50	5/2	–	–		–40÷ +85
Т151-100		300/300	–			–	–40÷ +85
T 153-800		1000/1800	–			–	–60÷ +45
Т02-10		100/1000	–			–	–60÷ +45

Симметричные тиристоры (симисторы) и тирис­торы имеют сходный механизм проводимости. Симисторы отличают­ся от тиристоров двусторонней проводимостью. При подаче импуль­са тока управления на управляющий электрод симистора последний включается независимо от полярности анодного напряжения. Вы­ключается симистор так же, как и тиристор (или динистор). В зависимости от устройства управляющего электрода сими­сторы могут управляться им­пульсами тока одной полярности независимо от того, какую по­лярность имеет напряжение, приложенное к основным выво­дам. Перечисленные качества достигаются дальнейшим услож­нением внутренней структуры симистора по сравнению со структурой динисторов или ти­ристоров. Выпрямительный эле­мент симистора имеет пятислой­ную структуру типа п-р-п-р-п, состоящую из четырех р-п- переходов. Как прямая, так и обратная ветвь вольт-амперной характеристики симистора (рис. 27) имеют совершенно одина­ковый характер и определяются теми же параметрами, что и прямая ветвь обычного тиристора: U _{пр. о}, I _зкр, I _пр.max, U _пр.mах и т.д. Различают симисторы средней и большой мощности. Симистор средней мощности типа КУ208А, например, рассчитан на средний прямой ток I _пр.max = 5А и максимально допустимое напряжение в закрытом состоянии U _пр.max = 100В при I _зкр = 5мА. Он оформлен в корпусе штыревой конструкции с максимальным диаметром 21,5 мм и длиной 40 мм. Наряду с этим симистор большой мощности типа ТС171-250, например, рассчитан на прямой ток I _пр.max = 250А и напряжение I _пр.max = 200В. Симистор этого типа также изготовлен в штыревом исполнении. Однако его максимальный диаметр равен 45 мм, а длина –100 мм.

Симисторы применяются в качестве бесконтактных переключате­лей и управляемых вентилей в устройствах автоматики и преобра­зователях электрического тока.

Дата добавления: 2013-12-13