Полупроводниковые тиристоры: устройство, принцип работы, параметры, применение

Полупроводниковые тиристоры

Тиристором называется полупроводниковый радиокомпонент, основная функция которого состоит в управлении электрическим током высокой мощности при получении маломощного управляющего сигнала. По принципу действия тиристор чрезвычайно похож на транзистор – тот тоже управляет напряжением, приложенным к коллектору и эмиттеру с помощью сигнала, подаваемого на базу.

Однако на деле тиристор работает, как диод. Он может находиться только в двух рабочих состояниях – открыт и закрыт. В первом случае управляемый тиристором ток без искажений проходит через него в сторону потребителей. Во втором – подача мощности прекращается. То есть тиристор, по сути, представляет собой электрический ключ, и это свойство данного радиокомпонента с успехом используется в схемах коммутации электросигналов.

Конечно, существуют и другие элементы, которые могут использоваться в качестве ключей. Например, те же транзисторы успешно исполняют эту функцию в цифровых схемах. Однако преимущество тиристоров на фоне всех других полупроводниковых радиокомпонентов состоит в быстродействии. Это обусловлено структурой данного элемента.

Устройство и виды тиристоров

Этот радиокомпонент состоит из 2-х последовательно расположенных p-n-переходов. Таким образом, внешние электроды тиристора интегрированы в p- и n-зоны и являются соответственно анодом и катодом. Внутренние p- и n-слои используются для управления, и с ними интегрируются управляющие выводы. В большинстве случаев управляющий электрод присоединяется к p-участку (тиристоры с управлением по катоду).

Благодаря данной структуре физические процессы насыщения и обеднения полупроводниковых слоёв протекают быстрее, и открытие, как и закрытие тиристора происходит лавинообразно – в течение наносекунд. Этим определяется отличное быстродействие тиристора. По этому параметру тиристор сильно опережает транзистор, уступая только интегральным микросхемам, да и то не всегда. Например, в высокочастотной технике микросхемы зачастую использовать не удаётся, и производители СВЧ-техники обращаются к старым добрым тиристорам.

1. Тринисторы

Классический 3-выводной тиристор. Открывается (либо закрывается) при подаче на управляющий электрод сигнала с определёнными параметрами. Может быть запираемым и незапираемым. Последний остаётся открытым даже после отключения управляющего сигнала и закрывается после того, как протекающий ток ослабляется ниже определённого уровня, либо исчезает вообще.

2. Динисторы

Тиристор с двумя выводами. Как раз такие радиокомпоненты более всего и похожи на диод – они тоже открываются при повышении напряжения между анодом и катодом до некоторой установленной величины. Разница заключается лишь в том, что запертый диод открывается лишь при пробое, означающем выход компонента из строя. Пробой же динистора – это его нормальный рабочий режим. После падения напряжения ниже определённого уровня такой тиристор запирается, возвращаясь в исходное состояние, и продолжает работать дальше.

3. Симисторы

Термин «симисторы» появилось в результате компиляции двух слов – «симметричный» и «тиристор». В этом случае радиоэлемент называется симметричным из-за того, что может пропускать сигнал в двух направлениях – как от анода к катоду, так и обратно. Такие компоненты состоят не из четырёх, а из пяти зон проводимости. То есть к четырём традиционным p- и n-слоям добавляется пятый n-слой, интегрируемый в анодный p-участок. Данное построение позволяет добиться симметричной вольт-амперной характеристики, наличие которой требуется при создании цифровой аппаратуры.

4. Фототиристоры

Из самого названия этого радиокомпонента становится ясно, что он управляется электромагнитным сигналом видимого спектра, проще говоря, светом. Существует две разновидности фототиристоров. Первые срабатывают при увеличении освещённости, вторые – напротив, при ослаблении силы света и усилении затенённости. Важным элементом данного радиокомпонента является фотоприёмник, одновременно исполняющий функцию управляющего электрода.

Параметры тиристора

Технические характеристики тиристора необходимо учитывать при выборе элемента для конкретной схемы. В базовый перечень ключевых параметров радиокомпонента входят следующие.

1. Максимальное значение силы прямого и обратного токов.
2. Прямое и обратное напряжение.
3. Минимальное рабочее напряжение (на аноде).
4. Рассеиваемая мощность.

Важным для выбора изделия свойством является динамическая характеристика, а именно время перехода из одного состояния в другое. От этого зависит быстродействие устройства, собранного с использованием данного конкретного тиристора. Касательно описанных выше фототиристоров следует сказать, что при их выборе необходимо обращать внимание на уровень минимальной освещённости, при котором срабатывает элемент.

Применение тиристоров

Функциональные свойства тиристора, определяемые его устройством, используются для создания устройств, с помощью которых автоматизируется большое количество различных процессов. Этот элемент находит активное применение в разнообразных системах жизнеобеспечения, а также в промышленности.

Например, с использованием этих элементов создаются импульсные генераторы, используемые в цепях преобразования постоянного электротока в токи промышленной частоты. Тиристоры применяются в оборудовании, используемом в электроэнергетике и на транспорте – в системах управления асинхронными двигателями. Тиристорные ключи находят применение в управлении промышленными автоматами, в том числе, станками с числовым программным управлением.

Изрядное быстродействие тиристоров делает их предпочтительными для эксплуатации тиристорных приборов в телекоммуникационной аппаратуре, сигнальных системах, устройствах контроля доступа и прочей подобной технике.

Что касается форм-факторов и габаритов, то сегодня выпускается обширная номенклатура этих изделий. В продаже встречаются как миниатюрные радиокомпоненты размерами в несколько миллиметров, так и достаточно крупные образцы массой несколько сот граммов. Элементы комплектуются разными типами выводов. Малогабаритные тиристоры оснащаются планарными электродами. В конструкцию мощных компонентов входят стержневые выводы с резьбой под гайку. Обилие форм-факторов и габаритов позволяет без труда подобрать нужные тиристоры для решения той или иной конструкторской задачи.