Как работает тиристор: устройство, принцип управления и применение

Тиристор это полупроводниковый ключ с четырёхслойной структурой (p-n-p-n), который может находиться в двух устойчивых состояниях: открытом (проводящем) и закрытом (непроводящем). Открыть тиристор можно коротким управляющим импульсом, а закрыть только снизив ток через прибор ниже удерживающего значения. Благодаря этому свойству тиристоры широко применяются в регуляторах мощности, сварочных инверторах, тиристорных приводах электродвигателей и системах управления освещением.

Устройство тиристора

Классический тиристор (SCR, от англ. Silicon Controlled Rectifier) состоит из четырёх чередующихся слоёв полупроводника: p1-n1-p2-n2. Крайний p1-слой подключается к аноду (A), крайний n2-слой: к катоду (K), а средний p2-слой: к управляющему электроду (G). Четырёхслойная структура образует три p-n-перехода: J1 (между p1 и n1), J2 (между n1 и p2) и J3 (между p2 и n2). В закрытом состоянии переход J2 смещён в обратном направлении и блокирует ток. Структуру удобно представить как два транзистора p-n-p и n-p-n, включённых последовательно по схеме с положительной обратной связью.

Принцип работы: этапы переключения

Работа тиристора разворачивается поэтапно. На аноде присутствует положительное напряжение относительно катода: тиристор закрыт, так как переход J2 блокирует ток. При подаче короткого положительного импульса на управляющий электрод в базу «нижнего» n-p-n транзистора поступают носители заряда, он начинает открываться. Коллекторный ток «нижнего» транзистора поступает в базу «верхнего» p-n-p транзистора, тот тоже открывается и дополнительно насыщает базу «нижнего». Лавинообразный процесс регенеративного переключения за единицы микросекунд переводит тиристор в полностью открытое состояние. После этого управляющий импульс можно снять: тиристор останется открытым. Для закрытия необходимо снизить анодный ток ниже тока удержания (единицы миллиампер) или приложить обратное напряжение.

Виды тиристоров и области применения

Симистор (TRIAC): двунаправленный тиристор, пропускающий ток в обоих направлениях. Именно симисторы используются в регуляторах мощности бытовых электроприборов, диммерах освещения и регуляторах скорости электродрели. GTO-тиристор (Gate Turn Off) позволяет выключать прибор сигналом на управляющий электрод без снятия анодного тока; применяется в мощных преобразователях тягового электропривода. IGBT-тиристоры сочетают свойства тиристора и биполярного транзистора, обеспечивая высокую скорость коммутации при токах до нескольких тысяч ампер. Мощные SCR-тиристоры с рабочим напряжением до 8–12 кВ и токами до 3000–5000 А применяются в высоковольтных тиристорных вставках постоянного тока для передачи электроэнергии на большие расстояния.