Il dispositivo e i parametri dei tiristori
Un tiristore è un dispositivo a semiconduttore con tre (o più) giunzioni p-n, la cui caratteristica corrente-tensione ha una sezione di resistenza differenziale negativa e che viene utilizzata per la commutazione nei circuiti elettrici.
Il tiristore più semplice con due uscite è un tiristore a diodi (dynistor). Il tiristore a triodo (SCR) ha inoltre un terzo elettrodo (di controllo). Entrambi i tiristori a diodo e triodo hanno una struttura a quattro strati con tre giunzioni p – n (Fig. 1).
Le aree terminali p1 e n2 sono chiamate rispettivamente anodo e catodo, un elettrodo di controllo è collegato ad una delle aree centrali p2 o n1. P1, P2, P3- transizioni tra regioni p e n.
Una sorgente E della tensione di alimentazione esterna è collegata all'anodo con un polo positivo rispetto al catodo. Se la corrente Ió attraverso l'elettrodo di controllo del tiristore a triodo è zero, il suo funzionamento non differisce dal funzionamento del diodo. In alcuni casi, è conveniente rappresentare il tiristore come un circuito equivalente a due transistor, utilizzando transistor con diversi tipi di conducibilità elettrica p-n-p e n-R-n (Fig. 1, b).
Fico. 1.Struttura (a) e circuito equivalente a due transistor (b) di un tiristore triodo
Come si può vedere dalla figura. 1, b, la transizione P2 è una transizione di collettore comune dei due transistor nel circuito equivalente, e le transizioni P1 e P3 sono giunzioni di emettitore. All'aumentare della tensione diretta Upr (che si ottiene aumentando la fem della sorgente di alimentazione E), la corrente del tiristore aumenta leggermente fino a quando la tensione Upr si avvicina a un certo valore critico della tensione di rottura, pari alla tensione di accensione Uin (Fig. 2).
Riso. 2. Caratteristiche corrente-tensione e designazione convenzionale di un tiristore a triodo
Con un ulteriore aumento della tensione Upr sotto l'influenza di un campo elettrico crescente nella transizione P2, si osserva un forte aumento del numero di portatori di carica formati a seguito della ionizzazione da impatto durante la collisione di portatori di carica con atomi. Di conseguenza, la corrente di giunzione aumenta rapidamente quando gli elettroni dello strato n2 e le lacune dello strato p1 si precipitano negli strati p2 e n1 e li saturano con portatori di carica minoritari. Con un ulteriore aumento dell'EMF della sorgente E o una diminuzione della resistenza del resistore R, la corrente nel dispositivo aumenta in base alla sezione verticale della caratteristica I - V (Fig. 2)
La corrente diretta minima alla quale il tiristore rimane acceso è chiamata corrente di mantenimento Isp. Quando la corrente diretta diminuisce al valore Ipr <Isp (ramo discendente della caratteristica I - V in Fig. 2), l'elevata resistenza della connessione viene ripristinata e il tiristore si spegne. Il tempo di ripristino della resistenza della giunzione p — n è tipicamente 1 — 100 µs.
La tensione Uin alla quale inizia un aumento di corrente simile a una valanga può essere ridotta introducendo ulteriormente portatori di carica minoritari in ciascuno degli strati adiacenti alla giunzione P2. Questi portatori di carica aggiuntivi aumentano il numero di azioni di ionizzazione nella giunzione p-n P2 e quindi la tensione di accensione Uincl diminuisce.
Portatori di carica aggiuntivi nel tiristore triodo mostrato in Fig. 1, vengono introdotti nello strato p2 da un circuito ausiliario alimentato da una sorgente di tensione indipendente. La misura in cui la tensione di accensione diminuisce all'aumentare della corrente di controllo è mostrata dalla famiglia di curve in Fig. 2.
Passando allo stato aperto (on), il tiristore non si spegne anche quando la corrente di controllo Iy scende a zero. Il tiristore può essere spento abbassando la tensione esterna ad un certo valore minimo, al quale la corrente diventa inferiore alla corrente di mantenimento, oppure fornendo un impulso di corrente negativo al circuito dell'elettrodo di controllo, il cui valore, tuttavia, , è commisurato al valore della corrente di commutazione diretta Ipr.
Un parametro importante del tiristore a triodo è la corrente di controllo di sblocco Iu on — la corrente dell'elettrodo di controllo, che garantisce la commutazione del tiristore nello stato aperto. Il valore di questa corrente raggiunge diverse centinaia di milliampere.
Fico. 2 si può vedere che quando viene applicata una tensione inversa al tiristore, si verifica una piccola corrente, poiché in questo caso le transizioni P1 e P3 sono chiuse. Per evitare danni al tiristore nella direzione inversa (che mette fuori servizio il tiristore a causa della rottura termica della corsa), la tensione inversa deve essere inferiore a Urev.max.
Nei tiristori a diodo e triodo simmetrici, la caratteristica inversa I - V coincide con quella diretta. Ciò si ottiene collegando in antiparallelo due strutture identiche a quattro strati o utilizzando speciali strutture a cinque strati con quattro giunzioni p-n.
Riso. 3. La struttura di un tiristore simmetrico (a), la sua rappresentazione schematica (b) e la caratteristica corrente-tensione (c)
Attualmente, i tiristori sono prodotti per correnti fino a 3000 A e tensioni di accensione fino a 6000 V.
I principali svantaggi della maggior parte dei tiristori sono la controllabilità incompleta (il tiristore non si spegne dopo aver rimosso il segnale di controllo) e la velocità relativamente bassa (decine di microsecondi). Recentemente, tuttavia, sono stati creati tiristori in cui è stato rimosso il primo inconveniente (il blocco dei tiristori può essere disattivato utilizzando la corrente di controllo).
Potapov LA