Электроника. Дистанционное обучение
Тиристоры — полупроводниковые приборы с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния:
- «закрытое» состояние — состояние низкой проводимости;
- «открытое» состояние — состояние высокой проводимости.
Тиристоры состоят из 4 слоев (областей) полупроводника с различной проводимостью и имеет структуру .
Рис. 1 — Структура тиристоров
Динистор (диодный тиристор) имеет два вывода и отпирается напряжением определенного уровня, приложенным в прямом направлении к аноду и катоду.
Подробнее об устройстве и принципах работы динисторов можно прочитать здесь
Тринисторы имеют такую же структуру, но с дополнительным выводом – управляющим электродом (УЭ). Все операции с тринистором производятся посредством УЭ.
Подробнее об устройстве и принципах работы тринисторов можно прочитать здесь
Симисторы (симметричные тринисторы, триаки) представляют собой два тринистора с общим управлением, включенные встречно-параллельно и размещенные в одном корпусе.
Подробнее об устройстве и принципах работы симисторов можно прочитать здесь.
 |
 |
|
| Динистор КН102А | Динистор DB3 | Динистор DB4 |
 |
 |
 |
| Тринистор КУ202Н | Тринистор BT151-500R | Тринистор Т142-80-12 |
 |
 |
 |
| Cимистор BT136-600 | Cимистор КУ208Г | Cимистор ТС161-160-12 |
Рис. 2 — Внешний вид некоторых тиристоров
Принцип действия тиристора
Принцип действия тиристора наглядно показывает его вольтамперная характеристика (ВАХ) (рис. 3). Она состоит из положительной и отрицательной ветвей. Отрицательная ветвь содержит участок, при котором тиристор закрыт — от нуля до Uпробоя . При достижении этого напряжения происходит лавинный пробой тиристора.
Рис. 3 — Вольтамперная характеристика тиристора
Если приложить к тиристору прямое напряжение и начать его увеличивать, то ток будет расти медленно ( красный участок графика ) – сопротивление закрытого тиристора высоко. При достижении определенного уровня напряжения тиристор открывается, его сопротивление уменьшается, падение напряжения также уменьшается, ток растет ( синий участок) . Далее тиристор выходит в режим обычного диода ( зеленая ветвь графика ).
У тринистора есть управляющий электрод. Если на управляющий электрод подать ток Iуэ , то тиристор откроется раньше достижения порогового напряжения ( красный пунктир на ВАХ). Чем больше ток Iуэ , тем раньше отпирание. Если ток достигнет определенного уровня ( Iуэ>0 ), то тиристор откроется и будет вести себя подобно обычному диоду, пока не создадутся условия для выключения.
Для выключения (закрытия) тиристора требуется, чтобы ток через тиристор снизился до определенного уровня (почти до нуля). В цепях переменного тока это происходит после снятия управляющего воздействия – при ближайшем переходе напряжения через ноль. В цепях постоянного тока приходится принимать более сложные решения. Например, запирать тиристор можно с помощью конденсатора, заряженного напряжением обратной полярности. При включении коммутационного устройства, он разряжается навстречу прямому току и компенсирует его до нуля.
Условные графические обозначения тиристоров
В таблице 1 приведены графические обозначения тиристоров. Позиционное обозначение тиристоров — VS.
Глава 5. Тиристоры
Тиристором называется полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более p—n-перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.
Существует несколько типов тиристоров: динистор, однооперационный тиристор, двухоперационный тиристор, симистор, фототиристор.
Кремниевый управляемый выпрямитель — однооперационный тиристор, представляет собой четырехслойную p—n—p—n структуру. Кристалл формируется диффузионным методом на базе пластинки кремния. Околокатодный слой образуется методом сплавления. Полученная таким образом “таблетка” закрепляется между молибде- 
Рис.38. Структура одноопера-ционного тиристора
Рис. 39. Однооперационный тиристор
новыми выводами анода и катода.
К верхнему слою приварен управляющий электрод. Полученный таким образом узел помещается в капсулу, используемую для охлаждения и защиты кристалла от механических воздействий (Рис.39).
У большинства приборов капсула имеет винтовую нарезку со стороны анода, катод выполнен в виде гибкого вывода. Мощные тиристоры выполняются в “таблеточном” исполнении, т.е. в виде плоского круглого устройства, у которого обе поверхности являются контактными (Рис.39,б). Маломощные тиристоры выпускаются в корпусах, аналогичных транзисторным.
Работу тиристора обычно рассматривают на модели двух транзисторов (Рис. 41). Четырехслойная структура образует три p—n -перехода. П1 и П3 называются эмиттерными, П2 — коллекторным. Области p1 и n2 — эмиттеры, p2 и n1 — базы.
Начнем с обратной ветви вольт-амперной характеристики.
Рис.40. Составляющие токов в тиристоре.
Обратная ветвь. Внешнее напряжение приложено минусом к аноду. На рисунке 40 это соответствует полярностям без скобок. Переход П2 смещен в прямом направлении, П1 и П3 — в обратном. П2 открыт и напряжение на нем мало. Поэтому обратное напряжение распределяется между переходами П1 и П3. Концентрация примеси в слоях p2 и n2 больше по сравнению со слоями p1 и n1. Переход П3 узкий. При обратном смещении он пробивается, поэтому все напряжение приложено к переходу П1 и обратная ветвь вольт-амперной характеристики аналогична обратной ветви единичного p—n перехода. Поэтому справедливо все, что было сказано об обратной ветви вольт-амперной характеристики диода.
Прямое смещение. Внешнее напряжение приложено плюсом к аноду, приняты полярности в скобках. Переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, П2 — в обратном. Внешнее напряжение приложено к переходу П2. Эмиттеры p1 и n2 инжектируют неосновные носители заряда в область базы. Оба транзистора работают в режиме усилителя. Рассмотрим случай, когда ток управления равен нулю.
Рис. 41. Эквивалентная схема замещения
В результате диффузии неосновные носители достигают коллекторный переход П2 и затягиваются в область коллектора. Часть носителей рекомбинирует в базовых областях с основными носителями. Обычно в
транзисторах рекомбинационный ток основных носителей поступает от внешнего источника через базовый электрод. В рассматриваемом случае рекомбинационный ток в каждой из баз образуется из обратного тока коллекторного перехода и тока проти-
воположного эмиттера. Обратный ток коллекторного перехода определяется из уравнения вольтамперной характеристики p—n перехода
(5.1)
Выражение для вольт-амперной характеристики неуправляемого тиристора получим в виде
(5.2)
где 1 и 2 — статические коэффициенты передачи тока условных транзисторов; Uк = U — Uэ1 — Uэ2; Uэ1 и Uэ2 — падение напряжения на эмиттерах p—n—p и n—p—n условных транзисторов; U — напряжение на тиристоре; Iа – общий ток через тиристор.
Токи эквивалентного транзистора Т1 обусловлены движением дырок через базу n1. Составляющая (1 — 1) Iэ1— ток базы Т1, а 1Iэ1 — ток коллектора Т1. В эквивалентном транзисторе Т2 ток переносится электронами (на рисунке 40 показано пунктиром). Составляющая ( 1 — 2) Iэ2 — ток базы Т2, а 2 Iэ2 — ток коллектора. Через смещенный в обратном направлении переход П2 течет ток неосновных носителей. Ток Iкр образован дырками n1-области, Iкn — образован электронами p2-области. Они образуют суммарный ток Iк.
Рис.42. Зависимость коэффициентов 1 и 2 от тока тиристора
Коэффициенты 1 и 2 зависят от тока (рис. 42). Коэффициент 2 больше 1 , т.к. база p2 тоньше базы n1 (это получено при изготовлении).
На начальном участке вольт-амперной характеристики (Рис.43, участок 0 — б) Ua мало, Ia мал. 1 и 2 близки к 0. Величины 1Iэ1 и 2Iэ2 также близки к 0. Используя приведенные выше уравнения, можно показать, что при (1 + 2) < 1,
UK < 0, т.е. коллекторный переход
смещен в обратном направлении.
Рис. 43. Вольтамперная характе-
В этом случае величина рекомбинационных токов неосновных носителей в базе превышает величину тока основных носителей, поступивших от противоположного эмиттера. Ток через П2 и тиристор определяется тепловым током Iк . Значит, началь-ный участок вольтамперной характеристики тиристора анало-гичен обратной ветви вольт- ампер-
ной характеристики перехода П2. По мере роста напряжения Ua растет ток Iк (растет поверхностный ток утечки и умножаются носители заряда). Растут 1 и 2 (Рис.43, участок б — в).
В соответствии с рис. 41 можно записать
IП2 = Iк1 + Iк2 + Iкб0 = 1Iэ1 + 2Iэ2 + Iкб0
Поскольку Iу = 0, Iа = IП2 = Iэ1 = Iэ2, получим:
IП2 = 1Iэ1 + 2Iэ2 + Iкб0 = Iа
Исходя из этого,
= 
(5.4)
Рост тока 
при увеличении прямого напряжения приводит к увеличению 1 и 2. Пока (1 + 2) 
1, коллекторные токи Iк1 и Iк2 невелики, 
мал. Рост 1 и 2 приводит к увеличению этих токов. Поскольку они являются базовыми токами, их рост приводит к увеличению инжекции носителей эмиттерами p1 и n2, что в свою очередь приводит к росту эмиттерных, а значит и коллекторных токов . Рост составляющих 1Iэ1, и 2Iэ2 приводит к росту концентраций носителей в базах n1 и p2. Снижается потенциальный барьер перехода П2. Одновременно снижаются потенциальные барьеры переходов П1 и П3, что приводит к дополнительной инжекции. Коэффициенты 1 и 2 еще более растут. Базы заполняются носителями зарядов. Это ведет к лавинному развитию процесса отпирания тиристора.
Точка в — граничная, в ней напряжение на тиристоре достигает значения напряжения переключения.
При (1 + 2) 
1 оба транзистора переходят в режим насыщения и 
достигает максимальной величины.
Участок г-д (Рис.43) — открытое состояние тиристора. В точке г напряжение на переходе П2 равно нулю. При этом Iк = 0, (1 + 2) = 1
IП2 = 1Iэ1, + 2Iэ2. (5.5)
Напряжение на тиристоре равно сумме напряжений на переходах П1 и П3, смещенных в прямом направлении. Переход П2 из-за наличия избыточных зарядов — дырок, в базе p2 и электронов в базе n1, переводится в проводящее состояние, обеспечивая инжекцию носителей. Ток Iк меняет направление. Таким образом, на участке г-д все три перехода П1, П2, П3 смещены в прямом направлении. При (1 + 2) > 1, напряжение Uk > 0. Коллекторный переход смещен в прямом направлении. Рекомбинационный ток неосновных носителей в базе меньше тока основных носителей, инжектированных противоположными эмиттерами. Это соответствует началу участка отрицательного сопротивления. При этом ток через тиристор начинает резко возрастать при небольшом росте напряжения. Недостающую величину неосновных носителей инжектирует коллекторный переход. Это соответствует открытому состоянию тиристора. Поскольку все p—n переходы смещены в прямом направлении, в базах повышается концентрация носителей заряда. Сопротивление тиристора становится малым.
При наличии Iу 
0 увеличивается базовый ток второго транзистора, что вызывает рост Iэ2 , а значит и Iк2 = 1Iэ1. Процесс насыщения транзисторов происходит при более низком напряжении .
При Iу > 0, IП2 = Iэ1 = Iа, I э2 = Iа + Iу ,
(5.6)
При этом дополнительно растет 2 . Наличие 2Iу и быстрый рост 2 приводят к открытию тиристора при более низком напряжении на аноде.
При больших токах Iу участок закрытого состояния тиристора на прямой ветви характеристики исчезает. Вольтамперная характеристика тиристора приближается к вольтамперной характеристике p—n перехода.
Сущность отпирания управляющим током состоит в том, что при подаче прямого напряжения тиристор закрыт, через него протекает малый ток. В требуемый момент времени подается импульс Eу задающий необходимый импульс тока Iу . Он больше тока спрямления, поэтому рабочая точка переходит на ветвь г — д:
(5.7)
Для того, чтобы тиристор перешел в закрытое состояние, необходимо уменьшить его анодный ток до величины, меньшей тока удержания. Это можно сделать за счет изменения полярности анодного напряжения.
Тиристоры для чайников
Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ. 
На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно тут.
Классификация
В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.
Принцип работы
Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.
В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику. 
К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.
Общие параметры тиристоров
1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность
Заключение
Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.
Тиристор принцип работы
Тиристор это четырёхслойный полупроводниковый прибор, слои расположены последовательно их типы проводимости чередуются: p‑n‑p‑n. p‑n‑переходы между слоями на рисунке обозначены как «П1», «П2» и «П3». Контакт присоединенный к внешнему p‑слою называется анодом, к внешнему n‑слою — катодом. В принципе тиристор может иметь до двух управляющих электродов, присоединённых к внутренним слоям. Но обычно изготавливаются тиристоры с одним управляющим электродом, либо вообще без управляющих электродов (такой прибор называется динистором).
Для включения тиристора достаточно кратковременно подать сигнал на управляющий электрод — тиристор откроется и будет оставаться в этом состоянии пока ток через тиристор не станет меньше тока удержания.
Итак, главный принцип работы тиристора и схем на его основе — открываем тиристор подачей сигнала на усправляющий электрод, закрываем снижая ток анод-катод.
Как и в биполярном транзистор главную роль в принципе действия играют неосновные носители заряда (ННЗ) и обратно-смещенный p-n- переход. Пока неосновных носителей мало переход закрыт, но стоит подкинуть ННЗ к переходу и он откроется.
В тиристоре есть два основных способа добавить ННЗ:
1) закачать ток в управляющий электрод;
2) поднять напряжение настолько чтобы возник лавинный пробой.
Динисторное включение тиристора
Для начала рассмотрим второй случай, то есть когда управляющий электрод тиристора отключен.
При подаче напряжения прямой полярности, крайние переходы смещаются в прямом направлении, а средний – в обратном. При значительном увеличении напряжения на силовых электродах, через крайние (П1 и П3), примыкающие к среднему, переходы начинают перемещаться неосновные носители, уменьшая его сопротивление. Процесс происходит медленно, а сопротивление остается большим, но лишь до определенного момента. При некотором значении напряжения (как правило, несколько сотен вольт) процесс становится лавинным(точка 1 на ВАХ), неосновные носители заряда заменяются основными, отпирая средний переход (П2) и уменьшая сопротивление анод-катод. Тиристор отпирается, а падение напряжения между силовыми электродами падает до единиц Вольт (точка 2 на ВАХ).
Дальнейший рост тока ведет только к небольшому росту падения напряжения на тиристоре участок ВАХ от точки 2 до точки 3, это рабочий режим открытого тиристора.
Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий ток ниже тока удержания. Причем падение напряжения соответствующее этому току многократно ниже отпирающего напряжения.
Но зачем тиристору управляющий электрод? Какие преимущества есть у тиристора перед динистором? Дело в том, что подавая напряжение через резистор на управляющий электрод можно увеличивать концентрацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь будет снижать величину напряжения включения тиристора.
А при какой-то величине тока управляющего электрода больше не будет горба на ВАХ, т.е. ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода, кстати этот ток называют током спрямления.
Режим обратного запирания тиристора
При обратном включении тиристора крайние переходы (П1 и П3) смещаются в обратном направлении, а средний в прямом (П2). Тиристор остается закрытым пока не наступит тепловой пробой.
Физические процессы
Если пары по физическим основам электроники на которых рассматривался транзистор я ещё как-то выдерживал, то энергетические зонные диаграммы объясняющие принцип работы тиристора уже были слишком сложны. Очень много ньюансов в концетрациях носителей заряда, толщинах слоев и уровне легирования.
Конечно, чтобы изготовить тиристор с хорошими характеристиками физические процессы протекающие в кристалле полупроводника нужно знать и понимать. Но для разработки электронных схем достаточно знать вольт-амперную характеристику тиристора и его транзисторную модель.
Одну четрехслойную полупроводниковую структуру можно представить как две трехслойные, если посмотреть на рисунок, то в трехслойных структурах можно увидеть два биполярных транзистора n-p-n и p-n-p структуры.
Пока оба транзистора закрыты, ток через них не протекает. Но стоит открытся хоть одному из них, то он тут же откроет второй. Ток коллектора первого транзистора поступит в базу второго и откроет его, а ток коллектора второго, будет являтся базовым для первого и будет поддерживать открытым первый транзистор. Получаетя что оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии. И чтобы они закрылись, нужно снизить ток через ниж ниже определенной величины, так называемого тока удержания.
4 thoughts on “ Тиристор принцип работы ”
Про теристоры прекрасная статья! Все коротко и ясно. Заменяет часы просмотра сайтов с конспектами сложных лекций и целую вечность пустых видео на ютубе.
Спасибо!
а как же управление тиристорами пачками импульсов
Померил сопротивление между катодом (на котором +) и управляющем электродом (который на р-слое): пробивает., диод, который образован катодом (р-слой) и управляющим электродом (n-слой) пробивается в оба направления… по 250, Ом примерно. Почему? Если приложить к тиристору обратное напряжение. + на катод, — на анод (р-слой), то с управляющего электрода можно снять напряжение для включения встречно включённого тиристора. aakitsay@yandex.ru На этом принципе осуществляется управление встречно параллельными тиристорам прибором ВАРТА. Спасибо за ответ.
Здравствуйте! Встретил схемы запирания тиристора. А зачем они? В смысле зачем они рисованы как отдельные — хочу вставлю, хочу нет? Или так оно и есть? Кто скажет?