9.6. ТИРИСТОРЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Очень интересный полупроводниковый прибор получают при объединении четырех полупроводниковых зон с различными типами электропроводности.

На рис. 9.16 показан тиристор -типа. По сравнению с транзистором -типа он имеет еще один полупроводниковый слой -типа. Крайние области полупроводника называют анодом (-область) и катодом (га-область). Тиристор обладает тремя -переходами, обозначенными на рисунке . Анодное напряжение включено так, что переходы и ПЗ работают в прямом направлении, а переход — в обратном. Две промежуточные области можно назвать базами. Мы получили -базу и -базу. В области -базы расположен управляющий электрод.

Добавление четвертого слоя существенно изменяет свойства полупроводникового прибора.

Рис. 9.16. Структура тиристора. Сокращенные обозначения: А — анод; К — катод; УЭ — управляющий электрод

При включении анодного напряжения U сопротивление обратного р-n-перехода П2 очень велико и ток в цепи тиристора практически равен нулю.

Если на -базу подать управляющее напряжение, то, как и в обычном транзисторе, электроны, образованные в области катода, пройдут через -базу и попадут в область -базы, в которой будет наблюдаться избыток электронов.

В результате возникает встречное движение дырок из -области анода, которые проходят в -базу и вызывают дополнительное движение электронов из -области катода.

Развивается лавинообразный процесс, и ток в цепи резко, скачком возрастает.

Если теперь отключить управляющее напряжение, то ток в цепи не изменится. Это объясняется тем, что на -базе и -базе накоплено много электронов и дырок, которые продолжают «притягивать» заряды противоположного знака с анода и катода.

В этом заключается принципиальное отличие тиристора от транзистора. В транзисторе величина тока коллектора увеличивается и уменьшается в зависимости от изменения напряжения на базе. Напряжение на базе тиристора может «Открыть» цепь тиристора, но после этого тиристор теряет управление и величина тока уже не зависит от напряжения на базе. Говорят, что тиристор — это полупроводниковый прибор с ограниченным управлением.

Создается впечатление, что после того как тиристор открыть, ток в цепи вообще никогда нельзя отключить.

Разберемся в этом более подробно.

Представьте себе, что Вы открыли водопроводный кран на кухне и он тотчас же сломался. Вода течет, но сколько ни крути ручку крана, закрыть его не удается. Выход может быть только один: перекрыть общий кран, который на этот случай предусмотрен в каждой квартире.

Эта аналогия подходит к случаю с тиристором. Мы открыли его напряжением на управляющем электроде, но теперь этот электрод «сломан» и закрыть тиристор можно только за счет отключения анодного напряжения. Это наш общий кран, который перекрывает всю цепь.

После того как вода перестала течь, мы починим кухонный кран. Теперь можно открыть общий кран. В квартире все в порядке.

Тиристор ведет себя точно так же, только ремонтировать его не нужно. После отключения анодного напряжения носители зарядов на и -базах рассасываются и тиристор возвращается в исходное состояние. Теперь молено опять подключить анодное напряжение, потом подать управляющий импульс... и все повторится сначала.

Используют тиристор как переключающий прибор. На это указывает и его название, которое образовано от греческого слова «тира» «дверь».

Тиристоры — очень мощные полупроводниковые приборы. Они могут переключать цепи, токи в которых достигают сотен и даже тысяч ампер.

Напряжение в таких цепях тоже может быть достаточно высоким — до нескольких тысяч вольту

В промышленности тиристоры находят самое широкое применение.

Мы рассмотрим только одно из них: управляемый тиристорный выпрямитель.

Принцип действия такого выпрямителя поясняется на рис. 9.17. На этом же рисунке дано условное изображение тиристора.

На рис. 9.17, а показан простейший однофазный однополупериодный выпрямитель, совершенно аналогичный тому, который изображен на рис. 9.4. Однако здесь полупроводниковый диод заменен тиристором.

Рис. 9.17. Управляемый выпрямитель: а — схема однополупериодного управляемого выпрямителя; б — графики напряжения на нагрузке и управляющего напряжения

Так же как и диод, тиристор не проводит ток в отрицательную полуволну питающего напряжения (изображена пунктиром на рис. 9.17, б). Но и в положительную полуволну тиристор открывает цепь тока не сразу, а только после того, как на управляющий электрод будет подан импульс напряжения. В этот момент тиристор открывается и в цепи появляется ток. Сопротивление тиристора резко уменьшается, и все напряжение питания оказывается приложенным к нагрузке.

Естественно, что после этого тиристор теряет управление и закрывается только после того, как анодное напряжение снизится до нуля. В отрицательную полуволну тиристор не работает. В следующий положительный полупериод опять необходимо подать управляющий импульс, который открывает тиристор, и т. д.

Процесс повторяется каждый период переменного тока.

В результате напряжение на нагрузке будет состоять, из кусочков синусоиды, повторяющихся с частотой сети.

График этого напряжения заштрихован на рис. 9.17, б. На этом же рисунке обозначено среднее значение выпрямленного напряжения, которое пропорционально заштрихованной площади. Внизу, под графиком напряжения на нагрузке, показаны импульсы управляющего напряжения Видно, что они смещены на время относительно начала положительной полуволны питающего напряжения.

Для того чтобы регулировать величину среднего выпрямленного напряжения, достаточно просто смещать управляющие импульсы во времени, изменять время Так, например, если уменьшить тиристор откроется раньше, заштрихованная площадь на рисунке увеличится и среднее значение напряжения возрастет. Если увеличить , все произойдет противоположным образом и среднее напряжение уменьшится.

Конечно, выпрямитель, показанный на рис. 9.17, а, весьма примитивен. Он имеет большую пульсацию выпрямленного напряжения и редко применяется.

Однако по этому же принципу выполняют и более сложные и совершенные многофазные управляющие выпрямители.