5. ТИРИСТОРЫ. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПАРАМЕТРЫ И СВОЙСТВА

Тиристор — полупроводниковый аналог ионного прибора — тиратрона, представляет собой многослойную p - n структуру. Как и все полупроводниковые приборы, тиристор имеет малые габаритные размеры и массу, высокую механическую прочность, малое остаточное напряжение в открытом состоянии, большой коэффициент усиления, высокое быстродействие и возможность работы в широком диапазоне температуры. При этом он постоянно готов к работе.

По электрическим параметрам тиристоры изготовляются на токи от единиц миллиампер до сотен ампер и на напряжения от десятков до тысячи вольт.

Приведенная краткая характеристика свидетельствует о возможности широкого применения тиристоров во многих областях автоматики в качестве элементов функциональных устройств,

а также элементов регуляторов, обладающих высокими энергетическими показателями.

Физические процессы, происходящие в тиристорах, достаточно подробно описаны в специальной литературе [7], поэтому ниже рассмотрен лишь принцип их работы. При приложении положительного потенциала к аноду тиристора (рис. III.24, а) переходы смещаются в прямом направлении, а переход — в обратном.

Рис. III.24. Схематическое изображение тиристора и его характеристики: а и б — транзисторный аналог тиристора; в — вольт-амперная характеристика тиристора; г — входные характеристики тиристоров; д — характеристика — напряжение переключения (включения при токе управления напряжение включения при — ток управления спрямления; — падение напряжения на включенном тиристоре

При этом смещение перехода в обратном направлении обеспечивает запирание тиристора и, следовательно, исключает протекание через него тока нагрузки.

Четырехслойная структура тиристора может быть представлена в виде двух транзисторов типа соединенных так, как это показано на рис. III.24, б. Рассмотрим процесс включения и отключения тиристора на основе его транзисторной аналогии; при этом предполагаем, что механизм работы перехода и работы транзистора известен.

Ток базы транзистора (рис. III.24, б) является коллекторным током транзистора а ток базы транзистора является коллекторным током транзистора

Анодный ток тиристора может быть представлен как сумма всех токов, протекающих через переход

где — коллекторные токи транзисторов (здесь и далее индексы «1» и «2» относятся к транзисторам соответственно); — ток утечки (обратный ток перехода

Коллекторные токи транзисторов равны:

где — токи эмиттеров транзисторов;

— коэффициенты усиления по току транзисторов в схеме с общей базой.

Как видно из рис. III.24, б, ток тиристора равен току эмиттера транзистора и примерно (с точностью до начального тока управления) току эмиттера транзистора Из равенств (III.60) и (III.61) следует, что анодный ток тиристора определяется соотношением

Если сумма коэффициентов усиления то в соответствии с формулой (III.62) ток через тиристор будет возрастать, стремясь к величине, ограничиваемой только внешним сопротивлением, включенным в его цепь, т. е. тиристор переходит в открытое состояние. Процесс его открытия протекает лавинообразно. При величина положительной обратной связи, которая имеет место в транзисторной аналогии на рис. II 1.24, б, недостаточна для развития лавинного процесса увеличения тока и тиристор остается в закрытом состоянии.

Таким образом, включением тиристора можно управлять, изменяя коэффициенты усиления транзисторов

Увеличение коэффициентов усиления и включение тиристора может быть достигнуто несколькими способами: повышением коллекторного напряжения до уровня лавинного пробоя, при котором умножение носителей приводит к резкому увеличению коэффициентов усиления т. е. повышением анодного напряжения до некоторой предельной величины, называемой напряжением переключения; использованием зависимости коэффициента усиления транзистора от тока эмиттера, при пропускании тока через базовую область тиристора от внешнего источника, либо от источника анодного напряжения самого тиристора.

Тиристор может находиться только в двух устойчивых состояниях: включенном и выключенном.

Благодаря интенсивности развития лавинного процесса, включение тиристора происходит практически мгновенно (время включения тиристора — время от момента подачи управляющего сигнала до открытия тиристора, обычно не превышает и после

этого он остается во включенном состоянии даже при снятии управляющего воздействия. Запоминание включенного состояния обусловливается тем, что пока протекает анодный ток, обеспечивается максимальное значение коэффициентов , а следовательно, и максимальная положительная обратная связь в рассматриваемой структуре.

Отключение (закрытие) тиристора может быть осуществлено снятием анодного напряжения (сведением практически до нуля анодного тока) или пропусканием через тиристор отрицательного тока. Время отключения тиристора — время, за которое восстанавливается его электрическая прочность, обычно лежит в пределах

Вольт-амперная характеристика тиристора приведена на рис. II 1.24, в.

На рис. III.24, г показаны входные характеристики тиристоров и (кривые 1 и 2), из которых следует, что по входным сигналам тиристоры имеют большой разброс, определяемый как технологией изготовления тиристоров, так и внешними дестабилизирующими факторами. Поэтому при выборе величины управляющего сигнала необходимо исходить из следующих соображений. Уровень сигнала управления должен лежать в зоне, ограниченной кривыми 1 и 2. При этом напряжение управления не должно превышать максимального значения, ограниченного прямой а ток управления не должен быть выше максимального значения, ограниченного прямой Минимальные значения должны соответственно ограничиваться прямыми и Для предотвращения перегрева управляющего перехода тиристора предельная допустимая мощность не должна превышать значений, ограниченных кривой 3 [7].

В табл. II 1.2 приведены краткие справочные данные по тиристорам отечественного производства.

Таблица III.2 (см. скан) Характеристики некоторых тиристоров

(кликните для просмотра скана)

Температура окружающей среды влияет не только на входные параметры тиристора, но и на допустимые режимы его работы. На рис. III.24, д приведена зависимость относительного допустимого прямого анодного напряжения доп от температуры для кремниевых тиристоров.

Характерной особенностью тиристоров является их способность запоминать включенное состояние до момента снятия с них питающего напряжения. Поскольку в цепи переменного тока ток в течение каждого полупериода переходит через нуль, то создаются естественные условия для отключения тиристора.

В усилителях с питанием от сети постоянного тока принудительное отключение тиристора осуществляется от специального устройства, обеспечивающего определенную частоту коммутации тиристора с синхронизацией частоты управляющих и отключающих импульсов.

Времена включения и отключения тиристора несоизмеримо малы (единицы и десятки микросекунд) по сравнению с периодом частоты питания в цепях переменного тока или частоты коммутации в цепях постоянного тока (единицы, десятки миллисекунд). Поэтому при расчете динамических характеристик тиристорных устройств можно пренебречь длительностью переходных процессов самих приборов, считая процессы коммутации (включения и отключения) тиристора мгновенными.

Тиристорным усилителем называется устройство, состоящее из схемы управления тиристорами и регулятора мощности (силовой части усилителя). Ниже рассматриваются основные способы и схемы (устройства) управления тиристорами и типы тиристорных регуляторов мощности, которые находят широкое применение в системах автоматического регулирования и управления.

Учитывая специфику и характер работы, целесообразно ввести следующую классификацию тиристорных усилителей: с выходом на постоянном токе, с выходом на переменном токе, с питанием от сети постоянного тока.