Режимы работы тиристора

1. Отрицательное запирание

В режиме отрицательного запирания катод тиристора соединяют с положительным, а анод (через нагрузку) – с отрицательным полюсом источ­ника постоянного напряжения. В исследуемом режиме эмиттерные переходы П₁и П₃ имеют обрат­ное смещение, в результате чего через тиристор протекает обратный ток I_нас р-п переходов П₁и П₃. Участок вольт-амперной характеристики тиристора в этом режиме практически совпадает с характеристикой выпрямительного диода с широким p-n переходом при обратном смещении (рис. 4.6, кривая 1).

Рис. 4.3. Включение тиристора в режиме отрицательного запирания

2. Положительное запирание (динисторное включение)

При прямом включении катод тиристора соединяют с отрицательным, а анод (через нагрузку) – с положительным полюсом источника постоян­ного напряжения.

Рис. 4.4. Прямое динисторное включение тиристора

В режиме положительного запирания коллекторный переход П₂ находит­ся при обратном смещении, в результате чего через тиристор протекает малый обратный ток I_нас p-n перехода П₂ (рис. 4.6, кривая 2). Практиче­ски все напряжение источника падает на коллекторном переходе, и прямые смещения на эмиттерных переходах П₁ и П₃ близки к нулю.

3. Переход к открытому режиму при динисторном включении

При достаточно высоком напряжении на коллекторном переходе П₂ на­чинают развиваться лавинные процессы, в результате чего увеличивается ток тиристора и возрастают прямые смещения на эмиттерных переходах. Из эмиттеров увеличивается инжекция электронов и дырок, которые через базовые слои диффундируют в область коллекторного перехода, а затем контактным полем перебрасываются через него в базовые слои, создавая в базовых слоях объемные отрицательные и положительные заряды. Увеличение концентрации носителей в области коллекторного перехода уменьшает сопротивление коллектор­ного перехода, в результате чего напряжение на тиристоре уменьшается, а на нагрузке увеличивается. Объемные (дырочные) заряды в базовом слое р₂ создают положительный потенциал. Объемные (электронные) заряды в базовом слое n₁ создают отрицательный потенциал. Разность потенциалов, созданная объемными зарядами в базовых областях, приводит к прямому смещению коллекторного перехода, и тири­стор за короткий отрезок времени (скачком) переходит в открытый режим работы. Участок вольт-амперной характеристики тиристора в открытом режиме (рис. 4.6, кривая 5) практически совпадает с характеристикой вы­прямительного диода с широким p-n переходом при прямом смещении.

4. Работа тиристора при управляемом включении

При управляемом включении между катодом и управляющим электро­дом включается источник постоянного напряжения U₂, который создает прямое смещение эмиттерного перехода П₃. Через переход П₃ из эмиттерного слоя п₂ в базовый слой р₂ происходит инжекция электронов. Часть электронов рекомбинирует в базовом слое, создавая ток I_Ув управляющем электроде. Остальные электроны диф­фузно достигают области коллекторного перехода П₂, откуда они, как неосновные носители, перебрасываются в базовый слой n₁, создавая в нем объемный отрицательный заряд. Отрицательный заряд в базовом слое n₁ увеличивает прямое смещение эмиттерного перехода П₁, что приводит к увеличению эмиссии дырок через переход П₁, которые затем диффузно попадают в область перехода П₂, откуда перебрасываются контактным полем в базовый слой р₂,создавая в нем объемный положитель­ный заряд.

Рис. 4.5. Включение тиристора в управляемом режиме

Описанные процессы приводят к некоторому увеличению тока тиристора (рис. 4.6, кривые 3, 4), но режим положительного запирания сохраняется до тех пор, пока сила управляющего тока не превысит опреде­ленного критического значения I_{У кр} (величина I_{У кр} уменьшается с ростом анодного напряжения). При увеличении управляющего тока увеличивают­ся прямые смещения переходов П₁ и П₃ и уменьшается обратное смещение коллекторного перехода, что приводит при 1_У≥ 1_{У кр} к переходу тиристора к открытому режиму (рис. 4.6, кривая 5).

В открытом режиме работы все р-п переходы тиристо­ра имеют пря­мое смещение. Ток управляющего электрода не влияет на работу тиристо­ра в открытом режиме, если анодный ток I_A превышает ток удержания I_удерж (I_удерж – наименьшее значение анодного тока, при котором объемные заряды в базовых областях достаточны для поддержания перехода П₂ в открытом состоянии). При I_A ≥ 1_удерж открытый режим работы тиристо­ра будет сохраняться и при отключении цепи управления. Это свойство используется для управления работой тиристора с помощью коротких импульсов управляющего тока, приводя­щих к открытию тиристора. Для закрытия тиристора необходимо на ко­роткое время отключить прямое смещение*.

Вольт-амперная характеристика тиристора

Рис. 4.6. График зависимости тока тиристора от напряжения:

1 – отрицательное запирание;

2 – положительное запирание при

динисторном включении;

3, 4 –положительное запирание при

управляемом включении;

5 – открытый режим

Эквивалентная схема тиристора

Аналитический расчет токов тиристора в режиме прямого запирания и перехода тиристора к открытому режиму работы удобно проводить при помощи эквивалентной схемы, согласно которой тиристор представляют составленным из связанных р-п-р и п-р-п транзисторов.

Коллекторные токи транзисторов определяются соотношениями*^*

I_{к 1} = a₁ I_{э 1} + I_{ко 1} ; I_{к 2} = a₂ I_{э 2} + I_{ко 2}. (4.1)

где a₁, a₂ – коэффициенты передачи тока эмиттеров; I_{ко 1}, I_{ко 2} – обратные токи коллекторов.

В качестве примера рассчитаем ток тиристора при динисторном вклю­чении (I_У = 0, I_A = I_{э 1} = I_{э 2} = I_{к 1} + I_{к 2}). После подстановки в (4.1) получим

I_А = I_А(a₁ + a₂) I_{ко 1} + I_{ко 2}. (4.2)

а б

Рис. 4.7. а – представление тиристора в виде связанных транзисторов;

б – эквивалентная схема тиристора

Обратный ток коллекторного перехода равен сумме эквивалентных коллек­торных токов: I_ко = I_{ко 1} + I_{ко 2}. После подстановки I_ко и алгебраических преобразований найдем ток анода

(4.3)

При малых анодных напряжениях (a₁ + a₂) 1; через резистор про­текает ток I_А ≈ I_ко, что соответствует режиму положительного запирания.

При достаточно высоких анодных напряжениях обратные токи коллекторных переходов возрастают, что вызывает увеличение коэффициентов передачи эмиттерных токов a₁, a₂ и рост анодного тока. При (a₁ + a₂) ® 1 ток анода резко, скачкообразно возрастает, и тиристор переходит в открытый режим работы.