Тиристоры представляют собой полупроводниковые приборы, которые имеют два устойчивых состояния - открытое и закрытое. В закрытом состоянии тиристор обладает высоким электрическим сопротивлением и практически не пропускает электрический ток. В открытом же состоянии его сопротивление резко падает, и через прибор начинает протекать значительный ток.
Переход тиристора из одного состояния в другое осуществляется с помощью специального управляющего электрического сигнала. Таким сигналом может служить импульс тока, напряжения или даже световой поток определенной интенсивности.
Устройство и разновидности тиристоров
Внутри тиристор состоит из четырех чередующихся полупроводниковых слоев с p- и n-типами проводимости. Данные слои соединены между собой p-n переходами и образуют последовательную структуру типа p-n-p-n.
К внешним p- и n-слоям подводятся основные электроды - анод и катод соответственно. К средним слоям могут также подключаться дополнительные управляющие электроды, которые называют базами.
В зависимости от количества баз различают несколько основных типов тиристоров:
- Тринисторы - с одной базой.
- Тетродные тиристоры - с двумя базами.
- Динисторы - без баз, управление осуществляется напряжением между анодом и катодом.
- Оптотиристоры - управление светом.
Кроме того, выделяют симметричные и несимметричные тиристоры. Первые способны проводить ток в обоих направлениях, вторые - только в одном.
Существуют и более экзотические разновидности, отличающиеся конструкцией и принципом работы.
Вольт-амперная характеристика
ВАХ тиристора демонстрирует нелинейную зависимость тока через прибор от приложенного между анодом и катодом напряжения. Данная характеристика имеет две отчетливых области - обратного и прямого запирания.
При подаче на тиристор обратного напряжения все его p-n переходы закрыты, и через прибор не протекает электрический ток.
При прямом же напряжении, меньшем определенного порогового значения Uотп, тиристор также заперт и не проводит ток. Это область прямого запирания. Как только напряжение достигает Uотп, происходит резкое уменьшение сопротивления тиристора и значительный рост протекающего через него тока.
Режимы работы
Тиристор может функционировать в трех основных режимах:
1. Режим обратного запирания. При подаче обратного напряжения тиристор полностью заперт и не проводит ток.
2. Режим прямого запирания. Прямое напряжение меньше Uотп также не приводит к открытию тиристора. Протекает лишь небольшой ток утечки.
3. Режим прямой проводимости. Превышение Uотп вызывает резкое уменьшение сопротивление тиристора и значительный рост тока через прибор. Тиристор при этом переходит в открытое состояние.
Переход тиристора из запертого состояния в режим проводимости может осуществляться различными способами в зависимости от его типа.
Например, для тринистора таким способом является подача кратковременного импульса тока или напряжения на управляющий электрод - базу. Для тетродного тиристора требуются два импульса, но разной полярности для каждой из двух баз.
Открытый тиристор удерживается в проводящем состоянии протекающим через него током. Для перехода в запертое состояние этот ток необходимо уменьшить ниже определенного уровня, называемого током удержания.
Применение
Благодаря своим уникальным свойствам, тиристоры нашли широчайшее применение в самых разных областях электроники и электротехники. Вот лишь некоторые примеры их использования:
- Коммутация и регулирование мощности в промышленных установках - печах, сварочном оборудовании, станках и так далее. Применяются для плавного пуска мощных электродвигателей.
- Преобразование частоты и формы переменного напряжения в источниках питания, инверторах, преобразователях.
- Ограничение тока и защита цепей от перенапряжений в виде специальных тиристорных защит.
- Управление мощными световыми потоками в осветительных и лазерных установках. Тиристоры применяются в системах управления мощностью излучения лазеров, для включения и выключения ламп дневного света высокой яркости, в светодиодных прожекторах большой мощности.
- Цифровая электроника и вычислительная техника. Тиристоры используются в качестве элементов памяти, логических вентилей, триггеров и других базовых устройств. Пример - тиристорная память с произвольным доступом.
- Импульсные источники питания. Тиристоры применяются для формирования мощных импульсов напряжения и тока с заданными параметрами.
- Системы автоматизированного электропривода. Тиристоры используют в схемах плавного пуска, реверса и регулирования частоты вращения электродвигателей.
- Электронные музыкальные инструменты. Тиристорные схемы управления тональностью и громкостью звука применяются в электроорганах, электрогитарах и др.
Таким образом, тиристоры благодаря своим уникальным характеристикам стали незаменимыми компонентами во многих областях науки и техники. Их применение продолжает расширяться по мере развития электроники и электротехники.