Что такое тиристор?
Тиристор — это ключевой полупроводниковый прибор, выполняющий функции управляемого электрического вентиля. Его основу составляет монокристалл с четырёхслойной структурой p-n-p-n, что обеспечивает нелинейную, разрывную вольт-амперную характеристику. К крайним слоям кристалла подключаются силовые электроды — анод и катод, а от одного из внутренних слоёв выводится управляющий электрод, который позволяет контролировать состояние прибора.
Принцип действия и включение
Когда на силовые электроды подаётся напряжение прямой полярности, внутренние переходы смещаются таким образом, что тиристор изначально находится в закрытом состоянии с высоким сопротивлением. По мере роста напряжения в структуре накапливаются неосновные носители заряда. При достижении определённого порога, называемого напряжением переключения, происходит лавинообразный процесс. Сопротивление прибора резко падает, и он переходит в открытое состояние с высокой проводимостью. Ток в цепи после этого ограничивается лишь внешними элементами — источником питания и нагрузкой.
Этот процесс удобно объяснить, представив тиристор как комбинацию из двух взаимосвязанных транзисторов. В такой модели крайние области работают как эмиттеры, а средние служат коллектором для одного и базой для другого транзистора, образуя положительную обратную связь, которая и приводит к резкому переключению.
На практике наиболее распространён не самопроизвольный переход при высоком напряжении, а управляемое включение. Для этого на управляющий электрод подаётся кратковременный импульс тока определённой величины, что переводит тиристор в проводящее состояние при наличии прямого напряжения между анодом и катодом. Такие приборы называются управляемыми тиристорами или тринисторами.
Выключение и основные характеристики
Чтобы выключить (закрыть) тиристор, необходимо прервать прямой ток. Это достигается двумя основными способами: снижением тока через прибор ниже уровня так называемого удерживающего тока или изменением полярности напряжения на силовых электродах на обратную. При обратном напряжении тиристор ведёт себя аналогично обычному полупроводниковому диоду.
Разновидности и конструкция
Существует множество видов тиристоров, адаптированных для разных задач:
- Динисторы (вентили-переключатели) — включаются только при достижении критического напряжения.
- Тринисторы — управляемые тиристоры, включаемые импульсом на УЭ.
- Фототиристоры — переключаются под воздействием светового потока.
- А также симметричные (симисторы), импульсные, быстродействующие и высокочастотные тиристоры.
Основной полупроводниковый материал для производства — кремний. Кристалл помещают в герметичный корпус, а для отвода тепла и компенсации механических напряжений используют молибденовые или вольфрамовые диски. Конструктивно тиристоры бывают штыревыми и таблеточными. Приборы на токи до 500 А, как правило, имеют воздушное охлаждение, а на более высокие токи — водяное.
Параметры и область применения
Современные тиристоры — это высокоэффективные приборы. Их рабочие напряжения могут достигать нескольких киловольт, а токи — до 10 кА. Они отличаются высоким быстродействием (время включения — микросекунды) и КПД, приближающимся к 99%.
Благодаря своим свойствам тиристоры нашли широчайшее применение. Они используются:
- В качестве мощных вентилей в преобразовательных устройствах (выпрямители, инверторы, регуляторы напряжения).
- В качестве ключевых и усилительных элементов в системах автоматики.
- В различных электронных схемах, где они в середине XX века практически полностью вытеснили устаревшие ионные и электронные лампы.
Таким образом, тиристор остаётся фундаментальным элементом силовой электроники, обеспечивающим эффективное управление большими потоками электрической энергии.