Ю. И. КОРОЛЕВ
Тиристоры
1968*СЕРИЯ
5
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
И С В Я 3 Ь

Ю. Н. КОРОЛЕВ
Тиристоры
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
Москва 196В

6П2.151.
К63
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Предисловие 3
Введение 4
Основные сведения о тиристорах 7
Параметры и характеристики тиристоров 18
Тиристоры как элементы схемы 30
Примеры использования тиристоров 49
Тиристоры с выключением 57
Литература 64
Королев Юрий Николаевич
ТИРИСТОРЫ
Редактор А. А. Енин
Худож. редактор Е. Е. Соколов
Техн. редактор Л. А Дороднова
Корректор С. Н, Князева
Художник Н. Д. Васильев
3-3-12
БЗ №1040-68
А №937* Сдано в набор 8/IV 1968 г. Подписано к печати 19/IV 1968 г.
Формат Лгмагк 60X90/1* Бумага типографская № 3. Бум.' л. 2,0.
Печ. л. 4,0. Уч.-изд. л. 3,61, Тираж 53 000 экз. Издательство «Знание».
Москва, Центр, Новая пл„ д. 3/4 Заказ 744» Типография кздва
«Знание»* Москва, Центр» Новая пл„ д, #4,
Цена 12 коп.

ПРЕДИСЛОВИЕ
На производстве и в быту мы ежедневно
сталкиваемся с многочисленными приме*
рами применения полупроводниковых
приборов. В настоящее время вакуумные
диоды с успехом заменяются
полупроводниковыми диодами, а на смену
радиолампам пришли транзисторы. В 1957 г,
были выпущены первые промышленные
образцы полупроводникового аналога
тиратрона — тиристоры, вытеснившие в
ряде случаев полупроводниковые диоды и
транзисторы. Обладая рядом
замечательных свойств, которых не имеют диоды и
транзисторы, тиристоры позволяют
создавать самые разнообразные устройства
с принципиально новыми качествами.
Тиристоры можно встретить в схемах
зажигания автомобилей и в локомотивах,
в осветительной аппаратуре на
телевидении и в радиолокационных станциях
и т. д. На сегодняшний день далеко Не
исчерпаны все возможности применения
этих замечательных приборов. Поэтому
цель брошюры — познакомить читателей
с физическими основами, устройством,
работой и некоторыми областями
применения тиристоров.
S

Последние несколько лет целая группа
полупроводниковых приборов со
структурой р-п-р-п привлекает к себе
пристальное внимание не только
специалистов по электронике, но и
радиолюбителей. Наибольший интерес среди этих
приборов вызывает управляемый
полупроводниковый вентиль, который в
технической литературе называют
по-разному: кремниевый управляемый
выпрямитель, тринистор, тиристор, управляемый
выпрямитель, кремниевый управляемый
вентиль. В данной брошюре будет
использовано название «тиристор»,
получившее наибольшее распространение.
Название тиристора эти приборы
получили по рекомендации Международной
Электротехнической Комиссии (МЭК),
так как английское сокращение названия
«кремниевый управляемый вентиль»
S.C.R. создавало путаницу в
терминологии. Первый слог названия «тиристор»
имеет греческое происхождение и
означает «дверь», а второй является общим
для всего семейства твердых
полупроводниковых приборов. Само название
тиристор говорит о том, что речь идет о
приборе на твердом теле с так называемой
«дверной» характеристикой, подобной
ключевой, т, е. способной открываться*
пропуская электрический ток в
определенном направлении, и закрываться,
преграждая ему путь.
Тиристоры относятся к одним из
наиболее важных разработок последних лет,
связанных с физикой твердого тела. Идея
построения четырехслойной р-п-р-п
структуры относится еще к началу пя-

тидесятых годов, но длительное время практическому
применению приборов с такой сложной структурой не уделялось
должного внимания. Мощным толчком для создания
практических устройств с р-п-р-п структурой послужили некоторые
проблемы электротехники, связанные с применением
газоразрядных приборов для управления большими мощностями.
В 1957 г. фирма «Дженерал электрик» выпустила первые
промышленные образцы тиристоров. Со времени выпуска первых
образцов развитие тиристоров шагнуло далеко вперед.
Сейчас отечественная промышленность выпускает тиристоры
на токи от нескольких миллиампер до сотен ампер с
допустимыми напряжениями, превышающими 1000 в. Нет сомнения
в том, что в ближайшее время промышленностью будет
освоен выпуск еще более мощных тиристоров^ сообщения о
которых уже имеются в печати.
В настоящее время тиристоры нашли самое разнообразное
применение как в промышленной, так и бытовой аппаратуре.
Наибольшее применение они получили в устройствах
электропитания (выпрямителях, преобразователях энергии,
частотных преобразователях), в промышленных электрических
регуляторах, в автоматических управляющих аппаратах вместо
реле (например, в устройствах дистанционного управления
газовой турбиной), в студийной осветительной аппаратуре на
телевидении и в театре и т. д.
Интересно сравнить тиристоры с газоразрядными
приборами и транзисторами с точки зрения эксплуатационных
характеристик. Так, в устройствах с инверторами и
преобразователями тиристоры с успехом конкурируют с газоразрядными
приборами (например, тиратронами). Тиристоры обладают
значительно меньшим весом и габаритными размерами, чем
газонаполненные приборы; превосходят их по сроку службы,
рабочей частоте, механической прочности и надежности;
позволяют получить больший коэффициент полезного действия
вследствие малого сопротивления в проводящем состоянии и
отсутствии нити накала, требующей дополнительного
расхода мощности на ее разогрев. Тиристор может работать при
более низких напряжениях питания, является менее
шумящим прибором, чем тиратрон. Однако пока газоразрядные
приборы выдерживают большие перегрузки без выхода из
строя при возникновении аварийных режимов, чем тиристоры.
Тиристоры обладают рядом преимуществ и перед
мощными транзисторами. Они могут работать при очень больших
токах (сотни ампер) и более высоких обратных напряжениях,
имеют по сравнению с обычными кремниевыми
транзисторами более низкое падение напряжения в проводящем
состоянии, и, кроме того, сигналы управления имеют сравнительно
малую мощность. Для тиристоров не нужна дополнительная
мощность для поддержания его в состоянии «включено» или
5

«выключено». Существенным недостатком тиристоров
является то, что они не могут быть выключены с помощью
управляющего сигнала.
В заключение необходимо отметить, что тиристоры не
только с успехом применяются вместо тиратронов и транзн*
сторбв, но и часто позволяют создавать такие
принципиально новые устройства, реализация которых до появления
тиристоров считалась невозможной (например,
сверхбыстродействующие автоматические устройства защиты, легкие и
компактные электрические регуляторы, мощные компактные
преобразователи и т. д.).

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
О ТИРИСТОРАХ
ПРИНЦИП РАБОТЫ ТИРИСТОРОВ
Тиристор можно рассматривать как
полупроводниковый диод, имеющий, кроме
анода и катода, еще и «управляющий
электрод». На рис. 1 показано условное
обозначение тиристора в схемах, а на
рис. 2 — схема его включения. В
исходном состоянии тиристор заперт. Если к
аноду приложено напряжение (путем
замыкания ключа Кл), то при подаче на
управляющий электрод от схемы
управления импульса положительной
полярности относительно катода тиристор
отпирается и в цепи появится ток Д который
ограничивается только внешней
нагрузкой Rw Тнрнстор может отпереться и без
подачи сигнала управления, если к его
аноду относительно катода приложить
высокое напряжение — напряжение
«пробоя». Часто для отпирания прибора
вместо импульса управления на электрод
УЭ тиристора подают постоянное
напряжение, положительное относительно
катода.
Если тиристор находится в отпертом
состоянии, то ни импульс управления, ни
постоянное напряжение на
управляющем электроде яе влияют на ток,
протекающий через него. Запирание
тиристора осуществляется несколькими
способами:
а) уменьшением величины анодного
тока /, протекающего через прибор, до
значения, называемого током «удержания»;
б) разрывом цепи тока путем
размыкания ключа Кл;
в) изменением полярности напряжения
на аноде;
7

г) исгочником переменного напряжения (синусоидальным
или импульсным).
Для того чтобы лучше понять принцип работы тиристора,
рассмотрим схему, представленную на рис. 3. Здесь
индуктивности L\ и L2 представляют собой обмотки одного и того же
реле. Катушка L% реле является основной, катушка L2 —
А
А\
>Д
к.
Рис.
ное
обозначение тиристоров
в схемах.
А — анод, К —
катод; УЭ —
управляющий электрод.
Рис. 2 Подключение
тиристора к источнику
питания.
-О
Рнс 3 Схема,
поясняющая принцип работы ти«
ристора.
удерживающей, а ключ К\ (контакты реле) служит аналогом
управляющего электрода тиристора. В цепи питания
тиристора имеется ключ Кл, при замыкании которого схема будет
находиться в рабочем состоянии. Если теперь замкнуть ключ
Ки что аналогично подаче на управляющий электрод
тиристора сигнала управления, то через катушку L\ реле будет
протекать ток по цепи: «плюс» источника ^питания Е, диод Д%
катушка Lu ключи Кг и Кл, «минус» источника питания.
Вследствие этого ключ К% (контакты реле) замкнется, и ток
потечет через катушку L% и нагрузку RH. Диод Д пока*
зывает, что ток в цепи может течь только в одном
направлении. В дальнейшем любое положение ключа К\ (замкнутое
или разомкнутое) не будет влиять на протекание тока через
нагрузку /?и, ибо ключ Кг удерживается в замкнутом
состоянии до тех пор, пока через катушку L2 протекает ток. Ключ
Кг разомкнётся только в случае, если ток через катушку L%
станет меньше тока удержания реле или вообще при разрыве
цепи тока, например, путем размыкания ключа Кль
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТИРИСТОРОВ
При рассмотрении физических основ работы тиристора
нам понадобятся некоторые сведения из области физики
полупроводниковых диодов и транзисторов, на которых
вначале и остановимся.
8

Как известно, атом любого вещества состоит из
положительно заряженного атомного ядра и электронов,
вращающихся вокруг него по определенным орбитам. Электроны,
находящиеся на внешней орбите, слабо связаны с ядром, и при
сообщении им любой дополнительной энергий (световой,
тепловой или энергии электрического поля) могут
оторваться от атома и стать свободными носителями зарядов, В этом
случае атом перестает быть электрически нейтральным н
превращается в положительно заряженный ион.
В кристаллической решетке полупроводниковых
материалов (например, германия или кремния) атомы связаны
между собой общими орбитами, образованными двумя
электронами, принадлежащими соседним атомам. Такая связь
называется парноэлектронной* Если какой-либо электрон получит
дополнительную энергию, достаточную для «отрыва» от
атома, то одна из связей оказывается нарушенной, атом
превращается в положительный ион, а электрон, «вырванный» из
связи, может свободно перемещаться в объеме кристалла,
т. е. становится носителем тока. Отсутствие электрона в
связи называется «дыркой». Следовательно, дырка имеет
положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду
электрона, и она может быть занята одним из электронов
соседней связи, который нейтрализует положительный заряд
атома. Но тогда в этом случае дырка образуется в соседней
связи. Переход электронов из одной связи в другую
соответствует перемещению дырки в обратном направлении, т. е.
движение дырки есть поочередная ионизация неподвижных
атомов, а истинными носителями тока являются электроны.
Однако рассматривать движение такого положительного
заряда удобнее, чем поочередные перемещения электронов из
связи в связь. Таким образом, можно сказать, что
полупроводники имеют два типа проводимости: электронную (п-ти-
па) и дырочную (р-типа).
Следует отметить, что наряду с образованием парных
носителей заряда (электронов и дырок) в кристалле
происходит обратный процесс — восстановление нарушенной связи и
исчезновение или рекомбинация носителей, т. е. в кристалле
имеет место термодинамическое равновесие — процесс
генерации уравновешивается процессом рекомбинации.
Все сказанное относится к так называемым чистым
полупроводникам без примеси. Введение в кристалл примесей
некоторых веществ может изменить его электрические свойства.
Примеси в кристаллической решетке занимают места атомов
основного вещества и образуют парноэлектронные связи с
соседними атомами. Однако атомы примеси могут иметь
большее число электронов, чем их необходимо для образования
заполненных связей; причем эти электроны гораздо слабее
связаны с атомом, чем электроны, входящие в связи, и поэто-
9

му требуется значительно меньше энергии, чтобы оторвать их
от атомов и превратить в свободные носители зарядов- Такрй
примесный электрон не связан с одновременным
существованием дырки.
Увеличение примеси в кристалле приведет к воараетавдю
числа свободных электронов, не увеличивая при этом
количества дырок. Если концентрация электронов значительно
превысит концентрацию дырад, то можно считать, что ток в
основном переносится электронами, т. е. электроны будут
основными носителями зарядов, а дырки—неосновными. В этом
случае полупроводник называется йояупроводашсеш «-типа.
Другие примеси могут яе иметь достаточного количества
электронов на внешней орбите, чтобы образовать
заполненные связи с соседними атомами. Незаполненная евяз|>
представляет собой свободное место, т. е. дырку для перехода
электронов из других связей. Такая примесь повышает
концентрацию дырок в полупроводнике; основными носителями
заряда являются дырки, а полупроводник называется полу-»
проводником р-типа.
П cf-jcn р-область
й - ofaocmb p- оЬюсть
DChcSrtbft
+ » - м +
г +- И - +
-- А 4 *
+ К г-
+ \Мсно5ные
>":-%
h-.-№v+
^ 4
ШШ№№) щоыщш \яос№9мШ&тревы)
Неасд8иж,чыъ
tq^ptfyS
ь
Л обпасть р • область
йиффузоокны^ тон
Тем оро&од^тсп'о
"*■ Г—F 1
д*область
1 *~* »«ь
р-область
■—0V—
Рве. 4. Механизм действия р~п перехода,
а —основные н неосновные носители в разливных областях полупроводника; €-
образование запорного слоя; « — направление яротекання диффузионного тока
тока вроводниостн; г — р-л переход под внешним напряжением.
Рассмотрим процессы, происходящие в полупроводнике*
состоящем из двух областей — электронной и дырочной (рас.
4). Все свободные носители находятся в состояния теплового
хаотического движения (рис. 4,а). Электроны стремятся
перейти из л-области, где их концентрация выше, в ^-область
10

с малой концентрацией электронов; дырки, наоборот,
перемещаются из р-области в я-йбласть, где их меньше. Такое
перемещение зарядов называется диффузией, а ток, который
они создают, диффузионным током. Свободные заряды,
переходя через границу раздела, оставляют после себя
неподвижные ионизированные атомы, жестко связанные с
кристаллической решеткой. Таким образом, вблизи границы раздела
возникает область, состоящая из двух слоев
противоположных по знаку неподвижных зарядов, которые образуют так
называемый «запорный» слой, или р-п, переход (рис. 4,6).
Внутри запорного слоя действует электрическое поле Е,
созданное двумя слоями зарядов, или «потенциальный
барьер», препятствующий дальнейшей диффузии электронов и
дырок. Только отдельные основные носители, обладающие
достаточно высокой энергией, способны преодолеть действие сил
электрического поля р-п перехода и проникнуть в соседнюю
область. Уход этих носителей приведет к образованию
дополнительных неподвижных ионов и тем самым к расширению
запорного слоя и увеличению его «тормозящего» поля для
основных носителей. Для неосновных носителей (электронов в
р-области и дырок в я-области) это поле будет, наоборот,
ускоряющим; попадая в р-п переход, они увлекаются полем и
выбрасываются за границу раздела. Ток, образованный
неосновными носителями, называется током проводимости.
Диффузионный ток основных носителей и ток проводимости
неосновных носителей направлены навстречу и уравновешивают
друг друга, так как в изолированном полупроводнике общий
ток через переход равен нулю (рис. 4, в).
Приведенные выше рассуждения справедливы при
отсутствии внешнего напряжения на р-п переходе, которое, в
зависимости от полярности, будет усиливать или ослаблять
действие поля р-п перехода. Если внешнее напряжение Евн
приложено «плюсом» к «-области, а «минусом» к р-области
(такое напряжение называют «обратным»), то поле,
создаваемое источником, усилит действие внутреннего поля р~п
перехода, и еще меньшее количество основных носителей сможет
преодолеть это поле и перейти в соседнюю область.
Электроны из я-области и дырки из р-области увлекаются от р-п
перехода к внешним контактам, в результате чего запорный
слой расширяется (рис. 4, г). Диффузионный ток уменьшается
до нуля и через переход будет течь только ток проводимости,
называемый также обратным током /0:
h=hn+hp>
где IQn —составляющая электронного тока проводимости;
/9р — составляющая дырочного тока проводимости.
Этот ток очень мал, так как количество неосновных
носителей на несколько порядков меньше количества основных
11

носителей. С увеличением обратного напряжения запорный
слой еще больше расширяется, а напряженность его поля в
значительной степени возрастет. Когда напряженность поля
перехода достигает довольно больших значений (например,
для кремния приблизительно 105 в/см), то под действием сил
электрического поля электроны вырываются из связей,
образуя дополнительные парные заряды «электрон-дырка»; или
же при достаточно широком р-п переходе неосновные
носители, разгоняясь его полем, приобретают такую энергию, что
при столкновении с кристаллической решеткой выбиваются из
связи электроны, в результате чего также возникает парный
заряд, увеличивающий обратный ток через переход. Таким
образом, внутри р-п перехода начинается лавинное
умножение носителей, которое может привести к «пробою» перехода.
В этом случае обратный ток через переход
Г0=Мр10р+Мп10п,
где Мр и Мп — соответственно коэффициенты лавинного
умножения дырок и электронов.
Вольт-амперная характеристика р-п перехода при подаче
на него обратного напряжения имеет вид, изображенный на
рис. 5 (кривая 1). При небольших по величине обратных
напряжениях ток через переход практически не зависит от
напряжения, так как он определяется, как уже было сказано,
неосновными носителями, которые появляются вследствие
теплового возбуждения парных зарядов. При напряжениях,
близких к пробивному, обратный
ток увеличивается сначала
медленно, а затем процесс
лавинообразно нарастает, и
ток через переход ограничив
вается только внешней на-»
грузкой.
Если к р-п переходу
подключить напряжение в
прямом направлении, т. е.
«плюсом» к р-области, а
«минусом» к «-области, то
электрическое поле источника
будет направлено навстречу
внутреннему полю р-п
перехода и, следовательно, осла-
условие диффузии основных
Щртое
Рис. 5. Вольт-амперная
характеристика р-п перехода.
1 — обратная ветвь; 2 — прямая ветвь.
бит его действие. Это облегчит
носителей через переход. Диффузионный ток возрастает. Но
сители, преодолев переход, распространяются в глубь объема
полупроводника, причем концентрация их уменьшается из-за
рекомбинации по мере продвижения. Длина пути, пройден*
ная носителем, определяется средним временем жизни носи-
12

п
н
теля. При возрастании прямого напряжения длина
диффузионного пути увеличивается. Следует отметить, что поскольку
время жизни носителей зарядов отлично от нуля, то при
быстром переключении полярности внешнего напряжения с
положительной на отрицательную переход запирается не сразу,
а только после рекомбинации избыточных носителей.
Характеристика р-п перехода в
«открытом» состоянии
(большие токи при
относительно малых напряжениях)
представлена кривой 2 на
рис. 5.
Полупроводниковый
диод состоит из одного р-п
перехода. Транзистор
состоит из трех слоев
полупроводника и, следовательно,
имеет два р-п перехода (рис. 6)
_±А
й
w
£ис. 6. Схематическое изображение
транзистора.
Как известно, транзисторы
бывают двух типов: р-п-р или п-р-п, которые отличаются
расположением слоев. Слои называются: Э — эмиттер, Б — база,
К — коллектор* К переходу эмиттер-база обычно
прикладывают напряжение в прямом направлении, а к переходу кол*
лектор-база — в обратном. Транзистор можно рассматривать,
как два полупроводниковых диода, имеющих общую область
(базу). Если на переход эмиттер-база не подавать
напряжения, то через переход коллектор-база, смещенный в обратном
направлении, будет протекать небольшой обратный ток диода
/о, определяемый неосновными носителями. Переход эмиттер-»
база находится в состоянии динамического равновесия, т. е,
диффузионный ток уравновешивается током проводимости.
При подключении к переходу эмиттер*база прямого напряже*
ния внутреннее электрическое поле перехода уменьшается и
через переход потечет диффузионный ток. Обычно концентра-»
цик> примеси в эмиттере делают значительно выше, чем в базе.
В случае, когда области различных типов проводимости
имеют разные концентрации примесей, диффузионный ток
определяется главным образом основными носителями той
области, в которой концентрация примесей больше. Поэтому
для транзистора на рис. 6 прямой ток через переход эмиттер-
база определяется в основном дырками. Величина,
показывающая, какая часть полного тока через переход определяется
основными носителями, называется эффективностью
эмиттера.
Дырки, диффундировавшие из эмиттера в базу, создают
там ничем не компенсированный объемный заряд. Объем
базы на очень короткий промежуток времени (10~10—10"п сек)
перестает быть электрически нейтральным. Для компенсации
объемного заряда дырок из внешней цепи, в базу входит та-
13

кое же количество электронов. Это приводит к появлению в
области базы дополнительных зарядов, которые
диффундируют от перехода эмиттер-база, где их много, в екжжзну
коллекторного перехода, где концентрация их мала. Поскольку
сдой базы имеет обычно незначительную ширину» только
небольшая часть дырок успеет режомбинирсвать, остальные
достигнут коллекторного перехода.
Поле коллекторного перехода для этих дырок является
ускоряющим, поэтому под действием этого поля дырки
«втягиваются» в коллектор. В цепи коллектор-база протекает
дополнительный ток /к. Величина, показывающая, какая часть
дырок достигла коллекторного перехода, называется
коэффициентом переноса, а величина, показывающая, насколько
изменяется коллекторный ток относительно изменения эмиттер-
ного тока, называется коэффициентом передачи тока, или
коэффициентом усиления по току а= Д/к/д/9. Так как не все
носители, вышедшие из эмиттера, достигают коллектора,
величина а всегда меньше единицы.
Тиристор представляет собой четырехслойную
полупроводниковую структуру с тремя р-п переходами. В принципе
действия тиристоров лежат в основном те же процессы, что
и в основе работы транзисторов. Однако последовательное
соединение четырех перехода» приводит к усложнению
физических процессов, их описание требует громоздких
математических формул, за которыми физическая сущность явлений
теряет свою наглядность. Поэтому, сведя к минимуму
математические выкладки, рассмотрим припади действия
тиристора на некоторых моделях, широко используемых в
литературе для объяснения механизма переключения этих приборов.
Собственно полупроводниковый прибор — тиристор
состоит из монокристалла-
ft
1
yj
L
[ Т
р
п
п,
р ;
fft
•—
п
н^о
к
*>ис* »* ЧетЧ8гхслойная р~п-р-п
структура {!fh 172, Пг-~ соответственно первый,
второй н третий р-п переходы).
ческой кремниевой пла*
стинки с р-я-р-л структур
рой (рис, 7). К р-облаета
анода А прилегает отно*
ситедьно широкая
область базы с электронной
проводимостью, за ней
следует тонкая базовая
область с дырочной яро*
водищостью, к которой
присоединен вывод управ*
ляющего электрода УЭ. К тонкой базовой области
примыкает д-область катода. Если к внешней р-области
подключить положительный потенциал относительно внешней я-об»
ласти, то к двум крайним переходам П< и П* напряжение
оказывается приложенным в прямом направления, а к сред*
нему переходу Я2 —в обратном направлении. Рассматривав
it

7
/О
мую структуру можно условно разделить на два транзистора
с различным» типами проводимости: р-п-р и п-р-п (рис. 8).
У транзистора р-п-р перевод П\ является эмиттерным, аЯ2 —
коллекторным, у транзистора n-p-п эмиттерным переходом
служит переход Я3, а коллекторным —Я2, т. е. два транэнс*
тора имеют общий коллекторный переход, причем база
транзистора р-п-р является
одновременно коллектором
транзистора п-р-пу а база
транзистора n-p-п есть
коллектор транзистора
р-п-р.
При подаче на тири«
стор прямого напряжения
дырочный ток эмиттера
транзистора р-п-р,
протекая через переход Яь ча*
стично рекомбинирует с
электронами я-базы, а ча*
стично проходит через коллекторный
ч
н2
Т-тг
л,
5г
п3эг
ft
-^Ч>£сС
Рис. 8. Схема замещения тиристора.
переход Я2. Эта часть
дырочного тока определяется коэффициентом усиления
транзистора по току си, и величина его равна: 1Кг =u\h2 . Прой*
дя через переход Я2 в область р-баэы транзистора п-р-п,
дырки образуют там некомпенсированный положительный
объемный заряд, который вызовет встречный поток
электронов из я-эмиттера через переход Яа и Я2 в «"базу транзит
стора р-п-р. Аналогично коллекторный ток /*, — сь/■».
Электронный ток, достигнув базы р-а-р транзистора,
вызовет вторичный поток дырок из р-эмиттера. Таким образом,
создаются условия для лавинного нарастания тока через
структуру. Однако лавинный процесс начинается только при
определенном напряжении на тиристоре.
Определим величину тока, протекающего через- тиристор
при отсутствии управляющего сигнала. Через переход Я2
протекают три составляющих тока:
1кг = а\1в1 — дырочный ток транзистора р-п-р;
1к%=аг1% —электронный трк транзистора п-р-п;
/ж*—ток перехода Я2, смещенного в обратном
направлении.
Поскольку ток через йереход, а также токи ht и /за дшгжны
равняться теку / во внешней цепи, то
откуда
/=
1 — (ai+aa)
(2)
15

Из формулы (2) видно, что при ai + a2=l знаменатель равен
нулю, а величина тока / стремится к бесконечности.
Практически ток ограничивается только сопротивлением внешней
нагрузки. В этом случае говорят, что тиристор «отперт» или
«включен».
В отпертом состоянии внутренние области структуры так
сильно насыщаются зарядами, что все три перехода
оказываются смещенными в прямом направлении, т. е.
составляющие транзисторы находятся в режиме насыщения. Известно,
что транзистор не может длительное время находиться в
режиме насыщения, если прекратится ток базы. Тиристор же
будет долгое время отперт, даже если ток управляющего
электрода /уэ = 0.
Как видно из рис. 8, ток коллектора транзистора р-п-р
является током базы транзистора п-р-п и наоборот, т. е. в
структуре существует положительная обратная связь, благодаря
которой составляющие транзисторы находятся в состоянии
насыщения. Таким образом, для того чтобы перевести тиристор
в отпертое состояние, необходимо увеличить коэффициенты
ai и ct2» которые зависят от возрастания тока через структуру.
Увеличение же тока, в свою очередь, достигается либо
введением дополнительного тока через управляющий электрод в
одну из базовых областей структуры, либо повышением
напряжения между анодом и катодом тиристора до величины
лавинного пробоя в среднем переходе.
В первом случае используется свойство кремниевого
транзистора, в котором коэффициент усиления по току при
небольшом токе эмиттера мал, но быстро увеличивается с
увеличением тока эмиттера. Управляющий ток /уэ, поступая в
базу п-р-п транзистора, увеличивает ток через транзистор и
тем самым коэффициент усиления по току аг, в результате
чего начинается лавинное нарастание тока в цепи. Тогда ток
во внешней цепи /^ои/Ч-аг/Ч-аг/уэ^/ко» или
1— (ai+a2)*
Следует заметить, что повышоние температуры приводит к
возрастанию обратного тока /к0, что также способствует
увеличению коэффициентов усиления тока ai и аг.
Если же повышать внешнее напряжение тиристора, то
при некотором его значении энергия носителей становится
достаточной для того, чтобы выбить дополнительные носители.
В результате этого происходит лавинное размножение
носителей, увеличивающее ток через переход, который, в свою
очередь, вызывает увеличение си и аг- Если при этом ток в
управляющем электроде отсутствует, то тиристор отпирается
при сравнительно большом анодном напряжении.
16

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТИРИСТОРОВ
При изготовлении тиристора в качестве исходного
материала используется кремниевая пластина; слои и р-п
переходы между ними образуются с помощью диффузии примесей
и вплавления металлов.
Структуру р-п-р-п, изображенную на рис. 7, можно
получить диффузионно-сплавным методом. Слои р образуются
путем диффузии примеси р-типа с двух сторон в кремниевую
пластинку я-типа. При этом пластинка кремния подвергается
продолжительной обработке парами р-примеси при очень
высокой температуре; атомы примеси, проникая в
кристаллическую решетку кремния, образуют р-слой. Глубина
проникновения атомов примеси хорошо регулируется изменением
температуры и времени процесса диффузии, что дает
возможность получать структуры с заданными параметрами и
размерами слоев. Четвертый слой получается при вплавлении
примеси я-типа в один из диффузионных слоев р-типа.
Структура р-п-р-п может быть получена и методом
двойной диффузии примесей /г-типа и р-типа в пластину кремния
/г-типа.
При работе тиристора из-за малой теплоемкости
кремниевой пластинки ее температура может быстро увеличиваться
до больших значений. Разница в тепловых коэффициентах
расширения кремния и других материалов может привести к
значительным относительным смещениям и механическим
усилиям внутри прибора. Это вызовет повреждение кремниевой
пластинки, а также изменение электрических характеристик
прибора. Поэтому для защиты переходов от тепловых и
механических повреждений кремниевая пластинка впаивается
между вольфрамовыми или молибденовыми пластинами,
тепловой коэффициент расширения которых близок к
коэффициенту расширения кремния. В маломощных тиристорах нижняя
пластина служит одновременно основанием корпуса. В
тиристорах повышенной мощности (на токи более 1 а) нижняя
пластина припаивается к основанию медного болта (для
отвода тепла), служащего одновременно анодом прибора.
Напаивание вольфрамовых или молибденовых пластин, а
также все электрические соединения производятся с
помощью специального жаростойкого твердого припоя.
Готовая р-п-р-п структура встраивается в заполненный
инертным газом герметичный сварной корпус для защиты ее
от влияния климатических условий и сохранения
стабильности параметров приборов в течение всего срока службы.
744—2
17

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТИРИСТОРОВ
ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
На типовой вольт-амперной
характеристике тиристора, представленной на рис*
9, можно выделить следующие основные
области: 1 — область непроводящего
состояния в прямом направлении; 2 —
область пробоя; 3 — область
отрицательного сопротивления; 4 — низкоомаая
область (высокой проводимости); 5 —
область непроводящего состояния в
обратном направлении; 6 — область
необратимого лавинного пробоя. Кроме того, на
вольт-амперной характеристике следует
отметить ток включения тиристора /вкд и
удерживающий ток /уд.
Уже было отмечено, что при
подключении к тиристору прямого напряжения,
как показано на' рис. 7-, два крайних р-п
перехода (Я* и Я3) смещены в прямом,
а средний р-п переход — в обратном
направлении. Сначала будем считать, что
управляющий сигнал на управляющий
электрод тиристора не поступает, т. е.
/уэ =0. Так как падения напряжений U%
и Uz на переходах П\ и #з, смещенных
в прямом направлении, невелики по
сравнению с падением напряжения 11%
иа среднем переходе, смещенном в
обратном направлении, можно считать
напряжение и2 этого перехода близким к
падению напряжения на всем тиристоре.
Ток через тиристор практически будет
определяться обратным током среднего
р-n перехода #2- Следовательно,
зависимость между анодным напряжением и
анодным током тиристора очень близка
к зависимости между обратным напря-
16

Рис. 9. Вольт-амперная характеристика
тиристора при отсутствии тока управления.
жением £/2 среднего р-п перехсзда и обратным током этого
перехода. Таким образом, вольт-амперная характеристика
тиристора на участке от 0 до Umx (т. е. при малых значениях
анодного напряжения и тока) совершенно аналогична
обратной характеристике полупроводникового диода.
Увеличение анодного напряжения сначала мало влияет на
величину тока
тиристора. При достаточно же
высоком анодном
напряжении, равном U вкл
тиристора, в среднем
переходе #2
происходит лавинообразное
умножение числа
свободных носителей
заряда, что вызывает
резкое возрастание
анодного тока,
протекающего через прибор. Как
только ток через
тиристор достигнет
величины, при которой произведение M(ai + ag) превысит
значение единицы, произойдет пробой среднего перехода, в
результате чего происходит почти мгновенное снижение падения
напряжения на тиристоре. Полное падение напряжения на
тиристоре несколько превышает величину прямого
напряжения р-п перехода и составляет примерно 1 в. Эта низкоомная
область вольт-амперной характеристики тиристора, где
рабочая точка определяется нагрузкой, представлена на участке
4 (см. рис. 9). Переход тиристора в низкоомное состояние
(т. е. состояние высокой проводимости) называется
включением (отпиранием) прибора.
Следует указать, что до того, как рабочая точка
тиристора попадает в низкоомную область, она пройдет участок
отрицательного сопротивления (участок 3 на рис. 9), который
характеризуется нарастанием анодного тока при уменьшении
падения напряжения (а это и означает уменьшение
сопротивления) на приборе. В области высокой проводимости вольт-
амперной характеристики рабочая точка тиристора будет
находиться до тех пор, пока величина анодного тока,
протекающего через прибор, больше некоторой минимальной
величины, называемой удерживающим током (/уд).
При отрицательном напряжении, приложенном к
тиристору, оба крайних р-п перехода, включенных последовательно,
оказываются смещенными в обратном иаправлении и только
средний — в прямом, В этом случае работа тиристора
аналогична работе р-п перехода, смещенного в непроводящем
направлении и, следовательно, обратная характеристика (уча-
№

сток 5 на рис. 9) тиристора подобна обратной
характеристике обычного кремниевого диода. В непроводящем состоянии
сопротивление тиристора может достигать значения порядка
нескольких десятков мегом. Возвращение тиристора в
непроводящее состояние называется выключением (запиранием)
прибора.
Участок 6 на рис. 9 представляет характерную картину
необратимого пробоя р-п перехода.
Наличие управляющего сигнала на управляющем
электроде вызывает увеличение тока /уэ через этот электрод и
снижает прямое напряжение включения тиристора. Этот эффект
можно объяснить следующим образом. Сигнал управления
вызывает увеличение тока управляющего электрода,
являющегося одновременно базой транзистора типа п-р-п (см. рис.
8). Увеличение тока базы п-р-п транзистора приводит к
возрастанию коэффициента усиления тока аь даже при
отсутствии в среднем р-п переходе (Я2) лавинообразного пробоя,
так как в этом случае ai является функцией только суммы
токов /а и /уэ, а а% — только функцией тока /а. Это
приводит к тому, что для обеспечения условия переключения
тиристора (ai + a2>l) не нужно большого значения
коэффициента лавинного умножения М. Следовательно, в этом случае
для переключения тиристора требуется и меньшее анодное
напряжение.
Изменяя величину управляющего сигнала, можно
изменят^ коэффициент ai и тем самым регулировать значение
напряжения включения тиристора. Из семейства
вольт-амперных характеристик (рис. 10)
тиристора видно, что
прибор может отпереться при
любом прямом анодном
напряжении, но при наличии
определенного
управляющего сигнала, т. е. когда
значение тока, протекающего
через управляющий
электрод, отличается от нуля на
некоторую постоянную
величину. При достаточно
большом токе управляющего
электрода (так называемом
токе включения) область
непроводящего состояния в
fob*1*9*
Рис. 10. Семейство волы-ампер-
вых характеристик тиристора при
различных токах управления.
прямом направлении исчезает и вольт-амперные
характеристики тиристора становятся похожими на характеристики
обычного кремниевого диода (кривая /).
Возможность управления режимом переключений является
одной из самых важных особенностей тиристора*
20

Если управляющий сигнал обеспечил отпирание тиристо^
ра, то после этого прибор уже не управляется, и для его
запирания следует уменьшить анодный ток до такой величины,
чтобы он был меньше значения удерживающего тока.
ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЕНИЯ
Включение тиристоров, как правило, осуществляется при
подаче положительного сигнала управления на управляющий
электрод относительно катода. А так как между
управляющим электродом и катодом, как известно, находится р-п
переход, то характеристика управления тиристора будет
представлять собой прямую ветвь вольт-амперной диодной
характеристики 2 (см. рис. 5). При подаче на управляющий
электрод положительного напряжения увеличение тока управления
будет происходить по кривой 2 и в определенной точке этой
кривой произойдет включение тиристора.
Однако из-за того, что сопротивления управляющего р-п
перехода тиристоров даже одного и того же типа различны,
то и значения тока и напряжения этого перехода, при
которых начинается отпирание, будут различные. Кроме того,
температурный диапазон, в котором приходится работать
тиристору, также в значительной степени влияет на сопротивление
р-п перехода, следовательно, и на ток управления. Поэтому
характеристики управления строятся и с учетом разброса
входных характеристик отдельных тиристоров, и с учетом
зависимости напряжения и тока управления от температуры
окружающей среды.
Типичные характеристики управления тиристора показаны
на рис. 11. Вся область
возможного включения тиристо- ^
ра при различных
температурах перехода на рисунке
заштрихована. Верхняя
линейная граница
заштрихованной области
(пунктирная прямая ее)
определяет то минимально
необходимое напряжение, при
котором происходит отпирание
любого тиристора данного Рис
типа. Правая линейная
граница включения
(пунктирная прямая cd) определяет минимально необходимый
ток для отпирания любого тиристора данного типа при
определенной температуре управляющего перехода. Причем с
увеличением температуры величина этого тока заметно снижает*
ся, и правая линейная граница cd передвигается влево
(пунктирные кривые 1 п 2)% Нелинейные же границы (кривые
и
~ ' •""^Ч
Характеристики управления
тиристора.
21

3 и 4) определяют разброс вольт-амперных прямых диодных
характеристик управляющего р-п перехода.
С целью предотвращения повреждения тиристора на
управляющий сигнал накладываются определенные ограничения
по току и напряжению, а также указывается максимально до*
пустимая мощность рассеяния на управляющем электроде
(кривая б).
Для надежного включения тиристора во всем диапазоне
рабочих температур, с учетом разброса входных
характеристик прибора, необходим источник управляющего сигнала,
значения тока и напряжения которого должны находиться в
пределах области abcde. Одна из возможных линий нагрузки
источника управления изображена на рис. 11 прямой 5.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Время переключения является одной из важнейших
характеристик тиристора и определяет его быстродействие в
схемах. Это время складывается из времени включения
(отпирания) и времени выключения (запирания).
Время включения. Когда тиристор находится в запертом
состоянии, концентрация носителей зарядов (электронов и
дырок) в обеих зонах среднего р-п перехода (#г)
соответствует почти равновесной концентрации. Напротив, когда
тиристор находится в отпертом состоянии, концентрация
носителей зарядов в зонах среднего р-п перехода сильно повышена,
В результате этого в я- и р-базах тиристора возникает заряд
носителей. Время, за которое образуется этот заряд,
составляет существенную часть процесса включения. Заряд р-базы
образуется с помощью тока управления и потока дырок из
р-эмиттера. Заряд в n-базе накапливается за счет потока
электронов из я-эмиттера. Для переключения тиристора из
запертого состояния в открытое следует создать эту
повышенную концентрацию носителей зарядов. В принципе ее
можно создать следующими способами: 1) превышением
значения напряжения включения; 2) достаточно быстро
нарастающим анодным напряжением на запертом приборе; 3)
током управления.
Как правило, заводы-изготовители не рекомендуют
превышать напряжение включения тиристоров при отсутствии
тока управления, так как при этом возможен пробой прибора
и выход его из строя.
Тиристоры могут включаться при очень быстром
нарастании анодного напряжения, так как на величину тока,
протекающего через прибор, могут влиять емкости запирающих
слоев р-п переходов. Наиболее существенную роль играет
емкость центрального р-п перехода П& смещенного в
обратном направлении. При резком нарастании анодного
напряжения через эту емкость проходит импульс тока4 который
22

приводит к увеличению общего тока через тиристор.
Последний способствует увеличению коэффициентов усиления тока
ai и ct2 эквивалентных транзисторов, и тиристор может
отпереться. Этот эффект внешне напоминает влияние тока
управления на напряжение переключения.
Следует отметить, однако, что ток управления
первоначально воздействует лишь на один из крайних р-п переходов,
в то время как емкостный ток воздействует сразу на оба
крайних перехода. Поэтому при отпирании тиристоров емкостным
током время включения сокращается. Все же включение
тиристоров таким способом следует скорее рассматривать как
паразитный эффект, и его нужно избегать. С этой целью для
некоторых типов тиристоров указываются максимально
допустимые скорости нарастания прямого анодного напряжения,
превышение которых приводит к самопроизвольному
включению приборов.
И, наконец, рассмотрим способ включения тиристоров с
помощью тока управления, который является общепринятым.
В этом случае на управляющий электрод тиристора
подается ток управления. От момента подачи тока управления до
полного включения тиристора требуется определенное
время — так называемое время включения. Под временем
включения тиристора понимается время между моментом подачи
управляющего импульса с идеально крутым передним
фронтом и моментом достижения анодным током 90% своего
максимального значения. Этот промежуток времени можно
разделить на время задержки и время нарастания тока. Время
задержки определяется с момента подачи импульса
управления до момента, когда анодный ток достигнет 10%
максимального значения. Обычно время включения различных
типов тиристоров, как правило, лежит в пределах единиц
микросекунд.
Итак, мы видим, что время включения тиристоров
является функцией многих переменных. Оно, как уже отмечалось,
зависит от степени концентрации основных носителей зарядов.
И поскольку концентрация носителей увеличивается с ростом
анодного тока, то увеличивается и время включения.
Необходимо обратить внимание, что время включения тиристора
обратно пропорционально анодному напряжению и будет тем
больше, чем больше индуктивность нагрузки. При активной
нагрузке время включения практически зависит лишь от
величины анодного тока. Кроме того, качество каждого
конкретного прибора также влияет (и довольно заметно) на
время включения.
Для снижения времени включения тиристоров необходимо
использовать импульсы управления соответствующей
длительности и амплитуды.
Время выключения. Под этим временем понимается ин-
»

тервал от момента прохождения анодного тока нулевого
значения до восстановления запирающей способности тиристора.
Время выключения несколько больше времени включения и
достигает нескольких десятков микросекунд.
Остановимся кратко на процессах, происходящих в
тиристоре при его выключении. Когда тиристор отперт и через
него протекает анодный ток, центральные р- и n-слои сильно
насыщены дырками и электронами. При подаче на прибор
запирающего обратного напряжения начинается уменьшение
этого накопленного заряда за счет рекомбинации и диффузии
через р-п переходы П\ и Я3 (см. рис. 8). Заряд избыточных
электронов в центральном /г-слое «рассасывается» за счет
рекомбинации и диффузии электронов в центральный р-слой.
Рассасывание же дырок из центрального /?-слоя происходит
за счет рекомбинации и диффузии дырок в центральный
я-слой. Эти перемещения носителей зарядов вызовут
обратный ток во внешней цепи. Пока через тиристор будет
протекать достаточно большой обратный ток, прибор имеет весьма
малое сопротивление, и падение напряжения на нем
равняется примерно 1 в.
После исчезновения дырок и электронов из центральных
р- и n-слоев обратный ток исчезает, и переходы Пх и #з
запираются. Обратный ток спадает довольно быстро (за единицы
микросекунд), однако время выключения тиристора
оказывается значительно больше вследствие высокой концентрации
избыточных носителей вблизи среднего р-n перехода П%.
Концентрация носителей уменьшается только за счет процесса
рекомбинации, который практически не зависит от внешнего на-
лряжения. Этим процесс восстановления обратного
сопротивления в тиристоре отличается от такого же процесса в
полупроводниковом диоде, у которого увеличение обратного
напряжения ускоряет уход избыточных носителей, и время
восстановления прибора существенно уменьшается. После того как
концентрация носителей заряда вблизи перехода Я2
уменьшилась до небольшой величины, переход П% внбвь приобретает
свое блокирующее свойство, и тиристор будет готов к работе.
Время выключения тиристора зависит от целого ряда
параметров прибора и режима его работы. Заметно
увеличивается время выключения при повышении температуры
окружающей среды и нз-за возрастания времени жизни
неосновных носителей. Величина прямого тока, наоборот, очень слабо
влияет на время выключения, которое незначительно
увеличивается при большом анодном токе.
ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТИРИСТОРОВ
С того времени, как были выпущены первые
промышленные образцы тиристоров, по сегодняшний день накоплен уже
довольно значительный опыт эксплуатации этих приборов, Оа
24

показал, что наличие совершенно ничтожных следов примеси
в полупроводниковом кристалле или влаги в корпусе
тиристора существенно ухудшает его характеристики с течением
времени. Но изменение характеристик тиристоров может
происходить не только из-за несовершенства технологии
изготовления приборов, но и вследствие неправильной эксплуатации.
Причинами ухудшения характеристик тиристоров являются:
1) неоднократное повышение положительного анодного
напряжения до напряжения пробоя тиристора при отсутствии
входного управляющего сигнала;
2) подача на управляющий электрод управляющего
сигнала с параметрами, превышающими максимальные
значения;
3) нанесение сильных механических ударов по прибору;
4) приложение к тиристору механических нагрузок,
превышающих максимально допустимые значения (например,
при креплении его к корпусу устройства);
5) длительная работа тиристора при температуре
окружающей среды, превышающей допустимую.
Вообще говоря, действие перечисленных выше факторов
может и не сразу сказаться на характеристике тиристоров, но
при работе с ними следует обратить особое внимание на го,
чтобы избегать подобных нарушений правил эксплуатации.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИРИСТОРОВ
С повышением температуры окружающей среды кроме
увеличения обратного тока центрально^ р-п перехода
тиристора происходит и увеличение коэффициентов усиления по
току а. Это приводит к увеличению анодного тока через
прибор и еще большему росту а. Для тиристора это означает,
что с повышением температуры включение его
осуществляется при меньшем анодном напряжении, что снижает
надежность работы прибора.
Обратный ток с повышением температуры увеличивается
очень заметно — в десятки и даже сотни раз. При понижении
же температуры обратный ток уменьшается.
Обратное напряжение, которое можно подать на тиристор
при повышении температуры, уменьшается по абсолютной
величине.
Требуемый для отпирания тиристора ток управляющего
сигнала при нагревании тиристора уменьшается, а при
охлаждении возрастает.
Удерживающий ток тиристора имеет отрицательный
температурный коэффициент, т. е. с повышением температуры
величина удерживающего тока снижается.
25

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТИРИСТОРОВ
Электрическая прочность тиристоров выше, чем у обычных
полупроводниковых приборов. В ряде случаев в
промышленности применяют тиристоры, для которых допустимые
значения номинальных токов лежат в пределах нескольких сотен
ампер и номинальных напряжений, превышающих 1000 е.
Чтобы определить возможности какого-либо конкретного
прибора, необходимо знать его основные параметры. Поэтому
рассмотрим некоторые параметры тиристоров совместно с их
режимами работы в прямом и обратном направлениях и
процессом управления приборов. Превышение этих параметров
может привести к ухудшению характеристик или снижению
надежности работы тиристора.
Среднее значение прямого (анодного) то*
к а характеризует максимально допустимое значение
постоянной составляющей тока в прямом направлении (от анода
к катоду) при определенной частоте и температуре
окружающей среды. Это означает, что величина прямого тока,
среднего за одноразовое срабатывание, может быть различной в
зависимости от частоты включений тиристора, а рабочая
температура ие должна превышать некоторого фиксированного
значения. Поэтому в паспорте мощных тиристоров указывается
даже характер системы охлаждения прибора. Это очень
важно, так как характеристика, связывающая допустимую
величину прямого тока с температурой окружающей среды,
получается различной в зависимости от конструкции и материала,
из которого изготовлен теплоотводящий радиатор, а также в
зависимости от скорости воздушного потока в такой системе
охлаждения. Превышение среднего значения прямого тока,
как правило, приводит к перегреву прибора и изменению
многих других параметров, а в худшем случае — вызавает
выход тиристора из строя.
Напряжение включения. Этот параметр
показывает то значение положительного анодного напряжения, при
котором возможно включение тиристора, если цепь
управляющего электрода разомкнута. Знание этого параметра
позволяет предотвратить преждевременное отпирание прибора.
Прямое падение напряжения. Средняя
величина падения напряжения за одноразовое срабатывание при
номинальном токе лежит в пределах I б н с увеличением
температуры это напряжение уменьшается незначительно. С но-
мощью этого параметра можно определить величину
мощности, рассеиваемой на тиристоре, следовательно, и требование
к дополнительному охлаждению или рабочей температуре,
Обратаое напряжение. В паспорте прибора
параметры «напряженке включения» и «обратное каяряжешдо
имеют одинаковые значения, хотя эта дм наяряжшня, моб-
26

ще говоря, не бывают равными. Обратное напряжение
обычно выше. Соотношение между упомянутыми параметрами
определяется некоторым коэффициентом запаса. В заданном
рабочем диапазоне температур из этих двух напряжений
берется более низкое, которое и принимается за номинальное
напряжение для данного прибора. Поэтому параметр
обратного напряжения прибора обычно определяется по величине
^ к.™ (см. рис. 9). Хотя параметр обратного напряжения
имеет некоторый запас, но его не следует превышать.
Рабочее обратное напряжение. Этот
параметр показывает то значение напряжения, которое может
выдержать тиристор при работе. Величина рабочего
обратного напряжения по абсолютному значению несколько больше
величины обратного напряжения.
Максимальное обратное напряжение
характеризует то напряжение, которое еще может быть
приложено к тиристору при нормальной температуре окружающей
среды. Если величину этого напряжения превысить (даже в
течение нескольких микросекунд), то тиристоры, как
правило, выходят из строя из-за лавинного пробоя
полупроводникового кристалла.
Обратный ток характеризует качество тиристора.
Значительное увеличение этого тока во времени означает
старение прибора.
Условия отпирания тиристора определяют требования к
сигналам управления.
Граничное напряжение — это то напряжение,
которое необходимо для отпирания наиболее нечувствительного
к напряжению тиристора при самой низкой рабочей
температуре.
Граничный ток. Этот параметр характеризует ток,
необходимый для отпирания наиболее нечувствительного к
току тиристора при самой низкой рабочей температуре. При
более высокой температуре требуется меньший ток.
Указанные граничные параметры соответствуют
значениям напряжения и тока, ниже которых тиристор не будет
управляться при данной температуре окружающей среды.
Максимально допустимое значение
входной мощности. Это значение допустимой мощности на
участке между управляющим электродом и катодом.
Максимально допустимые значения
напряжения и тока управления. Превышение
указанных параметров неизбежно приводит к повреждению*
тиристора.
Существует много и других параметров. Важными
параметрами являются, например, максимально и мпии*
мально допустимые температуры
переходов. Очень низкие температуры могут вызвать чрезмерные
21

механические напряжения и способствовать образованию
трещин в полупроводниковом кристалле. В то же время
превышение максимально допустимой рабочей температуры
приводит к нарушению самых важных параметров или же к
выходу тиристора из строя.
Способность тиристора выдерживать тепловой дик*
лический режим также имеет большое значение, так
как в процессе эксплуатации приборов приходится
сталкиваться с изменяющейся температурой окружающей среды.
Такие параметры, как тепловое сопротивление и
переходное тепловое сопротивление прибора,
дают возможность определить допустимую рабочую
температуру в стационарных и переходных режимах и являются
необходимыми для конструирования системы охлаждения.
Существуют и другие параметры, но многие из них
используются только в отдельных случаях. Например, во время
работы тиристоров может стать определяющим фактором
частота переключения прибора.
ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
НА НЕКОТОРЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТИРИСТОРОВ
Частота переключения тиристора в значительной степени
зависит от схемы, в которой он используется, и
ограничивается временем отпирания и временем восстановления прибора,
потерями мощности при переключении и скоростью
нарастания анодного напряжения в прямом направлении. Поскольку
время воестановлення тиристора обычно больше времени
включения, то процесс запирания является определяющим,
когда хотят добиться, чтобы тиристор работал при
максимальной частоте. Зависимость между временем
восстановления и максимальным значением рабочей частоты
определяется параметрами и условиями работы схемы. Если время
восстановления обозначить через tB0C, а максимальное значение
рабочей частоты через /макс, то в общем случае соотношение
J"*" (4-5)W
считается вполне приемлемым.
Известно, что с увеличением тока нагрузки несколько
возрастает и время восстановления тиристоров. Следовательно*
для сохранения высокой рабочей частоты следует уменьшать
значение анодного тока. Кроме того, при повышении темпе*
ратуры окружающей среды время восстановления тиристора
увеличивается, а максимальная рабочая частота—снижается.
При работе тиристоров в диапазоне обычных частот
(десятки и сотни герц) потери при переключении незначительны
и с ними можно не считаться. Однако при более высоких ча*
28

стотах необходимо учитывать сравнительно большое
выделение мощности при переключении. Выделение мощности будег
пропорционально частоте переключения, и поэтому на
высоких рабочих частотах потери при переключении составляют
значительную долю в общем балансе потерь.
С повышением рабочей частоты пропорционально
возрастает скорость нарастания анодного напряжения. Но, как уже
отмечалось, высокая скорость нарастания анодного
напряжения до величины, меньшей величины напряжения
отпирания, может вызвать самопроизвольное включение тиристора
из-за появления емкостного тока. Поэтому при работе на
частотах, превышающих несколько килогерц (эта частота
зависит от конкретно применяемого прибора), величину анодного
напряжения следует выбирать более низкой.

ТИРИСТОРЫ
КАК ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМЫ
ОТПИРАНИЕ ТИРИСТОРОВ
Прежде чем рассматривать вопросы
включения тиристоров, напомним, что
для нормальной работы (т. е. чтобы
прибор находился в проводящем состоянии)
необходимо, чтобы через прибор
протекал определенный ток в прямом
направлении, величина которого должна оыть
не меньше тока удержания. При подаче
на управляющий электрод тиристора
сигнала управления с параметрами,
указанными в паспорте прибора (или
определенными по характеристике включения,
аналогичной рис. 11),тиристор
возвратится в запертое состояние сразу же после
снятия управляющего сигнала, если
анодный ток к этому моменту не
достигнет тока удержания. В дальнейших
рассуждениях будем считать, что ток,
протекающий через тиристор после
включения, достаточен для удержания его в
проводящем состоянии.
Па рис. 2 было показано в общем виде
подключение схемы управления к
тиристору. Теперь мы рассмотрим несколько
конкретных способов отпирания
тиристоров.
Отпирание тиристоров с помощью
постоянного тока. Для отпирания
тиристоров, работающих в цепях постоянного
тока, можно подать на управляющий
электрод прибора напряжение источника
постоянного тока положительной
полярности (рис. 12).
При замыкании ключа К на
управляющий электрод тиристора подается сигнал
управления. При этом прибор отпирает-

ся и через него потечет анодный ток, величина которого за*
висит от сопротивления нагрузки Ra. Цели анодный ток
превысит значение тока удержания, то для запирания тиристора
в цепи постоянного тока должны быть предусмотрены
специальные Схемы, которые будут рассмотрены ниже.
Резистор R\ ограничивает ток в цепи управления
тиристора. Может случиться, что в тот момент, когда к
управляющему электроду тиристора приложено положительное
напряжение сигнала управления, анод тиристора окажется под
отрицательным напряжением по отношению к катоду (это
происходит при наличии источника питания переменного
напряжения). В этом случае происходит резкое увеличение обратного
тока и в приборе будут выделяться дополнительные потери
Рис. 12. Отпирание
тиристора при подаче
положительного напряжения источника
постоянного тока.
Рис. 13. Ограничение
напряжения
управляющего сигнала.
мощности. Причем они возрастают при повышении
положительного напряжения на управляющем электроде. Эти
дополнительные потери необходимо либо учитывать при
разработке схемы, либо следует принять меры, чтобы снизить их до
незначительной величины, которой можно пренебречь. Один
из способов снижения этих потерь — ограничение величины
положительного напряжения на управляющем электроде —
показан на рис. 13. Потери здесь снижены до ничтожно малой
величины.
Характеристика управления, представленная на рис. II,
полностью определяет режим отпирания тиристора
постоянным током. Верхняя граница для линии нагрузки (кривая 6)
устанавливается максимально допустимым значением средней
'мощности рассеяния на управляющем электроде
определенного типа тиристора. Нижняя граница bede устанавливается
зоной неопределенности (заштрихованная область). Поэтому
линия нагрузки (яримая 5), проведенная в области,
ограниченной точками abede, позволяет отпирать таристор во всем
диапазоне рабочих температур. Наклон линии нагрузки
позволяет определить сопротивление резиртора Rt (см, рис. 12) t а пе-
31

Рис. 14. Отпирание тиристо*
ров с помощью источника
переменного тока.
ресечение этон линии с осью у — напряжение источника
управления £/уэ. Пересечение линии нагрузки с осью х
определяет ток управления. Максимально допустимые значения
тока и напряжения управления при этом не должны быть
превышены. Не рекомендуется, чтобы линия нагрузки
касалась точки с или кривой максимальной средней мощности
управления (кривая б), так как в
этом случае будет отсутствовать
коэффициент запаса надежности
управления тиристором.
Отпирание тиристоров с
помощью переменного тока обычно
осуществляется от источника
синусоидального напряжения,
включенного в цепь
управляющего электрода (рис. 14),
Отличается эта схема от предыдущей
(рис. 12) тем, что в ней имеется
диод Ди который уменьшает отрицательное напряжение меж*
ду управляющим электродом и катодом тиристора (во время
обратной полуволны напряжения) до значения ниже
максимально допустимого обратного напряжения управляющего
электрода.
Отпирание тиристоров с помощью импульсов
положительной полярности осуществляется от источника импульсного
напряжения в цепи управляющего электрода прибора.
Основные требования, предъявляемые к параметрам импульсов
управления, определяются из рассмотрения характеристики,
представленной на рис. 11. На этой характеристике показаны
значения напряжения управления (прямая ее) и тока
управления (прямая cd)9 необходимых для отпирания тиристора
определенного типа во всем диапазоне рабочей температуры.
Уже было отмечено, что для надежного отпирания
тиристора при любой рабочей температуре на управляющий
электрод прибора должны быть поданы импульсы с параметрами,
превышающими значения, соответствующие зашрихованиой
области на рис. 11 (при условии, что эти параметры не пре*
вышают максимально допустимые значения)* Из-за того, что
в импульсах управления имеются, как правило, выбросы
отрицательной полярности, достигающие порой значительной
величины, эти выбросы следует ограничивать до 1—2 в.
При импульсном отпираний тиристоров помимо
допустимой средней мощности рассеяния на управляющем электроде,
нужно сказать о дополнительном параметре — допустимой
-импульсной мощности, которая обратно пропорциональна
длительности управляющего импульса. Импульсная мощность
рассеяния на управляющем электроде (кривая 7 на рис. И),
может быть выще допустимой средней мощности (кривая 6}^
32

Но при этом необходимо всегда выполнять условие, чтобы
средняя величина импульсной мощности за период управления
не превышала максимально допустимой средней мощности
рассеяния на управляющем электроде тиристора (кривая 6).
Линия нагрузки 5 в этом случае не должна выходить за
пределы области, ограниченной точками кЬсйм (см. рис. 11)<
Сказанное означает, что при импульсном отпирании
тиристора расстояние между линией нагрузки 5 и неопределенной
(заштрихованной) областью отпирания может быть
увеличено, а это приводит к повышению надежности включения
прибора, к снижению допусков на управляющие импульсы,
следовательно, и на схему управления.
Кроме того, нельзя забывать, что условие отпирания
тиристоров может быть ограничено максимально допустимым
значением напряжения на управляющем электроде,
максимально допустимым значением тока, протекающего через
управляющий электрод, или максимальным значением средней
мощности рассеяния на управляющем электроде.
Длительность управляющего импульса может быть очень
маленькой, что позволяет увеличить не только надежность
отпирания тиристоров, но и уменьшить время задержки
между сигналом управления и нарастанием анодного тока
прибора. При любой длительности импульса управления должно
выполняться необходимое условие, заключающееся в том, что
анодный ток должен успеть достигнуть величины,
превышающей значение тока удержания за длительность
управляющего импульса. Если нагрузка носит индуктивный характер, то
время нарастания анодного тока будет больше, чем в случае
активной нагрузки. Следовательно, длительность самого
короткого импульса управления, который может быть
использован для включения тиристора, зависит от характера нагрузки
в его анодной цепи.
СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ
Функцией схем управления тиристорами является их
способность вырабатывать управляющий сигнал, удобный для
отпирания тиристоров в каждом конкретном случае.
Например, если сигнал управления представляет собой медленное
изменение синусоидального напряжения, то момент
отпирания тиристора будет изменяться при изменении температуры
окружающей среды. Для получения сравнительно
стабильного момента отпирания тиристора управляющая схема должна
преобразовать медленно изменяющийся синусоидальный
сигнал в импульс необходимой длительности амплитуды и с
достаточно крутым передним фронтом. Этот импульс затем
подается на управляющий электрод тиристора.
Требования- к параметрам управляющего сигнала наибо*
33

лее жестки, когда отпирание тиристора осуществляется
постоянным током. При импульсном же отпирании прибора эти
требования будут не такими жесткими. Существует еще
целый ряд причин, способствующих тому, что в настоящее
Бремя наибольшее распространение получили импульсные схемы
управления тиристорами.
При проектировании схемы управления весьма
существенными являются следующее факторы:
а) возможность получения достаточной амплитуды
сигнала управления нрн заданных эксплуатационных условиях;
б) знание (или определение) максимальных значений
тока и напряжения, которые можно подавать на управляющий
электрод тиристора, не превышая при этом установленных
для цепи управления номинальных характеристик;
в) знание (или определение) минимальных значений
тока и напряжения, при которых для всех заданных
эксплуатационных условий обеспечивается падежное отпирание
тиристора;
г) знание максимально допустимой мощности рассеяния
на управляющем электроде тиристора;
д) возможность ограничения амплитуды управляющего
напряжения, если напряжение ка аноде тиристора станет
отрицательным.
Пример проетейшей схемы ^-правления тиристорами
представлен на рис. 15. Во время положительного полупериода
анодного напряжения конденсатор С будет заряжаться до
напряжения включения тиристора. Время зарядки
конденсатора С определяется постоянной времени цепи Ru R2 С и
скоростью нарастания анодного
напряжения тиристора Дз. Меняя
постоянную времени цепи заряда с по-»
мощью переменного резистора Ru
можно в широких пределах управ-»
лять моментом включения
тиристора, так как момент появления
напряжения отпирания на управляю*
щем электроде прибора
определяется постоянной времени цепочки /?ь
R2> С. При отрицательном
полупериоде анодного напряжения конден*
сатор С перезаряжается, создавая
тем самым необходимые условия
для работы схемы в следующем цикле.
Конетао, такая простейшая схема управления» состоящая
и» цепочки RC и диода Ди имеет много недостатков.
Во-первых, эта схема не может обеспечить стабильного начала
включения тиристора во всем рабочем температурном диапазоне.
Во-вторых^ она не обеспечивает включение тиристоров сред-
Рйс Г5. Прос1ейшая схема
оттирания тиристора.
34

Рис 16
гающей
Использование фазосдви-
цепочкн для отпирания
тиристора.
ней и большой мощности при достаточно больших
сопротивлениях резисторов Ri и J?2, так как они в основном
определяют ток управляющего электрода тиристора. При
уменьшении сопротивлений этих резисторов возрастает мощность
потерь в схеме. Поэтому схемы управления подобного типа
применяются редко. Диод Д{ препятствует попаданию
отрицательной полуволны источника
питания на управляющий
электрод тиристора, а диод Д% —
положительной полуволны.
В настоящее время в цепях
управления с успехом
применяют транзисторы, магнитные
элементы, двухбазовые диоды
и т. д., а для включения
мощных тиристоров нашли
применение и схемы управления с ти*
ристорами относительно
небольшой мощности.
Все схемы управления
можно разделить на две основные
группы.
Первая группа схем
управления не имеет собственного
генератора колебаний. К ним относятся схемы управления,
содержащие фазосдвигающие цепочка я магнитные усилители.
Ко второй группе относятся схемы управления, имеющие
собственный генератор колебаний, выполненный, например,
на транзисторе. Схемы такого рода могут быть довольно
сложными, но они имеют более широкие возможности для
управления тиристорами по сравнению со схемами первой
группы.
Один из возможных вариантов схемы управления с фазо-
сдвигающей цепочкой представлен на рис. 16. Фаза
напряжения U\ между точками 1 и 2 {см. рис. 16, б) зависит от
сопротивления резистора R и емкости конденсатора С.
Величина фазового сдвига <р между напряжениями U\ и U
определяется из выражения:
*=2 arctg dfe-'
где <о=2я/; f — частота питающей сети.
В схеме на рис. 16,а вместо конденсатора С можно
использовать дроссель. Если индуктивность дросселя сделать
величиной переменной, то резистор R будет я меть
постоянную величину.
Схемы управления с магнитнымя усилителями считаются
довольно эффективными. Эти схемы могут усиливать управ*
*

ляющий сигнал, обеспечивая требуемую крутизну переднего
фронта. Кроме того, важным достоинством таких схем
управления является возможность получения нескольких
электрически изолированных входов и выходов, что удобно для
управления сложной схемой с несколькими тиристорами.
Типовая схема управления с магнитным усилителем для
одного тиристора показана
на рис 17. Здесь
трансформатор Трх связан с
источником переменного тока.
Сигнал управления на
тиристор Дз подается с обмотки
/// трансформатора Тр%.
Напряжение обмотки //
обеспечивает питание
трансформатора Тр2,
представляющего собой
магнитный усилитель. Если
сердечник магнитного
усилителя не насыщен, индуктивное
сопротивление обмотки ///
трансформатора Тр2 очень
велико, и сигнал
управления не в состоянии отпереть
тиристор. Когда сердечник
трансформатора Трг> имеющий прямоугольную петлю
гистерезиса, насыщается, то сопротивление обмотки /// резко
падает, и управляющий сигнал отпирает тиристор.
Обмотки II1 и // обоих трансформаторов выполнены так,
что сердечник магнитного усилителя насыщается в течение
положительного полупериода напряжения питания £/а. Во
время отрицательного полупериода сердечник стремится
размагнититься.
Степень насыщенности сердечника, а следовательно, и
момент включения тиристора могут управляться переменным
резистором /?1 в цепи обмотки // магнитного усилителя.
Моментом включения тиристора можно управлять также и с
помощью внешнего напряжения Uu если его подать на обмотку /
трансформатора 7р2. В этом случае ток, протекающий через
обмотку /, определяет величину магнитного потока в
сердечнике трансформатора Тр2, а эю, в свою очередь, определяет
момент включения тиристора.
Резистор jR2 ограничивает ток управления, а резистор
Rz — напряжение на управляющем электроде тиристора
(чтобы не наступало нежелательного включения прибора до
насыщения сердечника трансформатора Гр2). Диод Д2,
во-первых, препятствует попаданию отрицательного напряжения на
управляющий электрод тиристора, а во-вторых, препятствуй
Рис. 17 Схема управления с
использованием магнитного усилителя.

схемах управления тиристо-
Ua
ет протеканию обратного тока в обмотке /// трансформатора
Тр2, который может привести к размагничиванию сердечника
магнитного усилителя.
Одной из самых распространенных схем управления,
относящихся ко второму типу, является схема с использованием
генератора напряжения, вырабатывающая импульсы
напряжения прямоугольной формы. К таким схемам управления
относится и схема блокинг-генератора на транзисторе,
представленная на рис. 18. Эта схема часто используется в тех
случаях, когда невозможно обеспечить нормальное включение
тиристоров из-за наличия гальванических связей между цепью
управления и анодной цепью тиристора. Кроме того, блокинг-
генератор формирует импульсы, амплитуда которых
достаточна для отпирания даже мощных тиристоров. Еще одним
достоинством указанной схемы является то обстоятельство, что
она позволяет отпирать одновременно несколько тиристоров.
При питании анодной цепи тиристора переменным током
следует синхронизировать частоту блокинг-генератора с частотой
источника питания.
Широкое распространение в
рами за рубежом получил
двухбазовый диод. В
литературе его часто называют также
однопереходным триодом.
Двухбазовый диод
является одним из лучших элементов
для проектирования схем
управления тиристорами. Схемы
управления на них получаются
очень простыми и потребляют
незначительное количество
энергии. Двухбазовый диод
способен работать при
температурах от —60 до +150°С,
что превышает температурные
возможности тиристоров.
Конструктивно двухбазовый диод
состоит из пластинки
полупроводника типа /г, у которой с
противоположных сторон
имеются два вывода — база В\ и
база В2. В центральную часть
полупроводника /г-типа
вплавляется полупроводник р-типа, который образует эмиттер.
Таким образом, двухбазовый диод имеет всего один р-п
переход и три электрода — два базовых и один эмиттерный.
Схема управления тиристором на двухбазовом диоде
приведена на рис. 19, Это схема релаксационного генератора.
Рис. 18 Использование блокинг-
генератора для управления
тиристорами.
37

Участок между базами В{ и В2 двухбазового диода Д\
представляет собой обычное сопротивление с линейной
вольт-амперной характеристикой, поэтому напряжение на нем
распределяется линейно» Напряжение на конденсаторе С, который
заряжается через резисторы Rz и #4, есть напряжение Ux на
выводе эмиттера. Если напряжение Ux будет меньше, чем
падение напряжения U2 на участке полупроводника n-типа от
Рис. 19. Схема
управления тиристором на
двухбазовом диоде
Рис. 20. Использование
тиристора в схеме управления.
эмиттера до вывода первой базы fib то переход эмиттер —
первая база будет смещен в обратном направлении и через него
потечет только небольшой обратный ток. Если напряжение Ui
на выводе эмиттера превысит напряжение i/г» то эмиттерный
переход смещается в прямом направлении, сопротивление
между эмиттером и первой базой уменьшается до незначительной
величины и конденсатор С будет разряжаться через резистор
Ях и сопротивление открытого эмиттерного перехода. В ре*
зультате этого на резисторе R\ возникает падение
напряжения, которое подается на управляющий электрод тиристора
Д2. Начало момента включения тиристора можно
регулировать переменным резистором Rz- После того как напряжение
на конденсаторе С при его разрядке упадет до некоторой
величины, определяемой характеристикой диода Ди он
запирается, и процесс зарядки конденсатора С повторяется.
Если вместо резистора Rx включить трансформатор с
несколькими вторичными обмотками, то в этом случае
управлять можно не только одним тиристором.
И, наконец, рассмотрим пример использования в схеме
управления мощного тиристора тиристоров меньшей мощности
{рис 20). Ток управления мощного тиристора Д2
определяется анодным током тиристора меньшей мощности Д\. Когда
анодный ток тиристора Д\ достигнет значения тока отпирания
тиристора Д2) последний включается. Резистор Rt ограничив
38

вает ток в анодной цепи тиристора Д\. Диод Д%
предотвращает появление отрицательных импульсов от источника
управления на управляющий электрод тиристора Д\. По
напряжению тиристор Д\ должен отвечать тем же требованиям, что
и тиристор Д2. Ток через тиристор Д\ определяется только
током управления тиристора Д2-
СПОСОБЫ ЗАПИРАНИЯ ТИРИСТОРОВ
В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Тиристор, находящийся в проводящем состоянии, можно
запереть либо путем уменьшения анодного тока ниже
величины тока удержания, либо подачей обратного анодного
напряжения.
Очевидно, что при работе тиристора в цепи переменного
тока никакой проблемы запирания прибора не существует,
так как в течение отрицательного полупериода выполняются
оба условия. При работе же тиристора в цепи постоянного
тока для его запирания требуется специальная схема.
Существует большое количество схем для запирания
тиристора* Остановимся только на основных положениях,
которые следует учитывать при проектировании подобных схем*
Рис. 21. Выключение ти« _ ол „
ристора с помощью Pl,c« 22- Выключение ш*
траиЬпсторного ключа. ристоров путем измени
r r ния направления тока в
колебательной контуре
при параллельной (а) »
последовательной (й)
нагрузке.
Чтобы уменьшить анодный ток до величины, меньшей тока
удержания, необходимо предусмотреть ключ, который в не*
обходимый момент шунтировал бы тнрнстор, пропуская весь
основной ток в анодве* цеп» через себя. В качестве ключа,
например, можно использовать транзистор Г, как показано
на рис. 21. Для надежного запирании гнриегора Д сонрогвв-
т

ление отпертого транзистора должно быть значительно
меньше сопротивления отпертого тиристора (вместо транзистора
могут быть использованы и контакты реле). Запирание
тиристора таким путем происходит сравнительно быстро
(приблизительно за 100 мксек).
Большое распространение получили схемы запирания
тиристоров, в которых содержится конденсатор для накопления
энергии, необходимой для запирания приборов (рис. 22) Эти
схемы отличаются только тем, что в одной из них
конденсатор С подключен параллельно резистору /?н, а в другой —
последовательно, но обе схемы содержат колебательные
контуры, образованные индуктивностью L и конденсатором С.
В первой схеме (рис 22, а) при отпирании тиристора
управляющим сигналом конденсатор С начнет заряжаться
через индукгивность L и небольшое сопротивление открытого
тиристора Так как ток, протекающий через катушку
индуктивности, тиристор и конденсатор, имеет колебательный
характер (считаем, что сопротивление нагрузки RH велико), то
как только он в конце первого периода изменит свое
направление на обратное, произойдет выключение прибора, и
конденсатор С начнет разряжаться через сопротивление
нагрузки RH.
Принцип работы второй схемы (рис. 22,6) аналогичен
работе первой. Отличие заключается лишь в том, что через
резистор Rn протекает ток зарядки и разрядки конденсатора
С. Кроме того, сопротивление резистора Ra должно
выбираться ниже определенной величины с учетом того, чтобы в
контуре мог возникнуть колебательный процесс. Исходя из
этого, для первой схемы сопротивление нагрузки выбирается из
условия, что
для второй схемы —
В заключение рассмотрим схему (рис. 23, б), которая часто
используется для выключения тиристоров. Принцип работы
этой схемы поясняет рис. 23, а. Если с помощью ключа К
параллельно тиристору подключить незаряженный конденса*
тор С, то он в начальный момент будет представлять коротко-
замкнутую цепь, уменьшающую напряжение на приборе до
нуля. Если же конденсатор был бы предварительно'заряжен
(как показано на рисунке), а затем подключен к тиристору с
помощью ключа К, то, поскольку заряженный конденсатор
представляет собой источник отрицательного напряжения с
очень малым внутренним сопротивлением, через тиристор
потечет импульс тока отрицательной полярности, достаточный
Для запирания прибора.
40

Ключ К можно заменить тиристором Д{ (рис. 23,6). Если
тиристор Да отперт, то конденсатор С заряжается так, как
показано на рисунке. При подаче на управляющий электрод
тиристора Д\ сигнала управления он отпирается, и левая
обкладка конденсатора С оказывается присоединенной к точке
А. Вследствие этого напряжение на аноде тиристора Дг мгно-
1
<-£
'Q*
4
я—
а
й
г
Рис 23 Выключение тиристора с
помощью коммутирующего конденсатора
венно уменьшится до величины напряжения — Е. Это
означает, что к аноду тиристора Д2 будет приложено
обратное напряжение, через него начнет протекать обратный ток,
и прибор очень быстро запирается (примерно за единицы
микросекунд).
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ
СОЕДИНЕНИЯ ТИРИСТОРОВ
В настоящее время отечественная промышленность
выпускает самые разнообразные тиристоры: от маломощных'до
сверхмощных приборов на токи до сотен ампер и
напряжения, превышающие 1000 в. Но часто бывает, что для
некоторых устройств, применяемых в народном хозяйстве,
требуются тиристоры с параметрами, превышающими максимально
возможные параметры этих приборов. Поэтому, если в
процессе разработки аппаратуры требуются тиристоры с более
высокими напряжениями или с большими токами, чем
имеющиеся в наличии, то в этом случае следует использовать
параллельное или последовательное соединение тиристоров.
Остановимся подробнее на каждом из указанных
соединений.
Параллельное соединение. Для работы с токами,
превышающими номинальные значения ток;ов тиристоров, можно
воспользоваться параллельным включением этих приборов.
При параллельном соединении тиристоров падение
напряжения на всех приборах одинаково. Но поскольку вольт-ам*
перные характеристики различных приборов отличаются друг
41

от друга, то через тиристоры будут протекать разные по
величине анодные токи Причем большую часть общего тока
будет пропускать тиристор, имеющий меньшее сопротивление
в прямом направлении, а следовательно, он будет
нагреваться сильнее, чем другие приборы. С повышением температуры
окружающей среды происходит уменьшение прямого
сопротивления, а это приведет к еще большему увеличению тока
через тиристор, т. е. к еще большему нагреву прибора и т. д.
Такой процесс может привести к разрушению тиристора.
Нормальную работу тиристоров при их параллельном
включении можно обеспечить несколькими путями:
тщательно отбирать тиристоры по характеристикам; включать
добавочные резисторы последовательно с каждым прибором для
выравнивания токов в них; использовать симметрирующий
трансформатор для распределения нагрузки между
тиристорами. Рассмотрим каждый из этих способов.
Отбор тиристоров по прямым вольт-амперным
характеристикам не исключает все же разброс по токам между
приборами из-за индуктивных связей схемы, из-за отличия токов
от расчетных значений (так как выравнивание проводится,
как правило, для определенного значения тока), из-за
изменения температуры окружающей среды. Последний фактор при-
водит к процессу, уже описанному выше Отбор тиристоров
по параметрам приводит также к резкому увеличению
стоимости всего устройства. Поэтому этот способ применяется
редко.
При включении последовательно в анодную цепь каждого
из тиристоров выравнивающих рези-
еюров происходит принудительное
распределение токов, протекающих через
тиристоры. В этом случае можно
использовать тиристоры без всякого
предварительного отбора. Но и этот
способ не всегда приемлем, особенно
в цепях с мощными тиристорами из-за
значительных потерь на
выравнивающих резисторах.
Одним из самых эффективных
способов, обеспечивающих нормальную
работу тиристоров при параллельном
соединении, является использование
симметрирующих трансформаторов,
имеющих одинаковые, включенные встречно обмотки (рис.
24)» Если, например, в тиристоре Д* увеличится ток, то на
обмотках трансформатора Тр появится напряжение,
пропорциональное разности токов в тиристорах, с полярностью,
указанной на рисунке. Напряжение на обмотке, включенной но*
следовательно е тиристором* в котором происходит уменьши
/*//*/*
Рпс. 24.
Использование симметрирующею
трансформатора при
параллельном
соединении тпристоро».
4*

ние анодного тока (так как общий ток / должен оставаться
постоянным), способствует возрастанию тока. Таким
образом, происходит выравнивание токов в обмотках» а
следовательно, и в тиристорах»
Если тиристоры Д\ и Дг отпираются не одновременно, го
напряжение на соответствующей обмотке симметрирующего
трансформатора
способствует включению
отстающего тиристора.
Число витков в обмот*
ках трансформатора
определяется величиной тока,
который необходимо вы-
равнять.
На рис. 25 приведен
пример включения
четырех симметрирующих
трансформаторов при
четырех параллельно
соединенных тиристорах.
При работе схемы с
параллельно
соединенными тиристорами на
нагрузку, обеспечивающую в
шие токи коммутации, следует синхронизировать
управляющие схемы всех тиристоров. В противном случае через
тиристор, отпирающийся раньше, будет протекать очень
большой ток, который зйожет вывести прибор из строя.
Последовательное соединение тиристоров. Если
напряжение в схеме намного превышает напряжение включения
одного тиристора, то в этом случае соединяют последовательно
несколько тиристоров. Напряжение между ними
распределится равномерно только в том случае, если тиристоры
имеют сравнимые вольт-амперные характеристики во всей
области рабочих температур.
Однако вследствие разброса параметров тиристоров одного
и того же типа (главным образом, тока утечки и емкости
перехода) напряжение, приложенное к цепочке
последовательно соединенных тиристоров, распределяется между ними
неравномерно. Тот тиристор, у которого величина тока утечки
мала, имеет более высокое сопротивление в запертом
состоянии и, следовательно, на нем упадет большая часть
напряжения, чем на тиристоре с большим током утечки.
Неравномерное распределение напряжения может привести к
нежелательному отпиранию такого тиристора без подачи
управляющего сигнала или даже к его пробою. При этом полное
напряжение будет распределяться уже между остальными ти-
ристорамк*
Рис 25 Пример включения
симметрирующего 1рансформатора при
параллельном соединении четырех
тиристоров
момент отпирания приборов боль-
43

Одним из способов равномерного распределения
напряжения между тиристорами при последовательном их соединении
является параллельное подключение к каждому прибору
выравнивающих резисторов R (рис. 26,а). Ток, протекающий
через резисторы /?, должен в несколько раз превышать макси-
Рис. 26. Последовательное соединение тиристоров.
мальный ток утечки тиристоров. Максимальную величину со*
противления резистора R можно определить по формуле:
- -^
К~ п!
п* ут.макс
где 1;а — полное напряжение схемы, в;
/ут.макс — максимальный ток утечки тиристора, а;
п — число последовательно соединенных
тиристоров.
Резисторы R обеспечивают равномерное распределение
напряжения на тиристорах при установившемся запертом
режиме. Однако в моменты включения или выключения
приборов будет сказываться влияние емкости р-п переходов
тиристоров, и напряжение на них распределится в этом случае
обратно пропорционально этим емкостям. Для защиты
тиристоров от перенапряжений, возникающих в момент переходных
процессов, параллельно выравнивающим резисторам R
подключают конденсаторы С, емкость которых во много раз
больше емкости перехода. Так, для тиристоров средней и
большой мощности емкости конденсаторов выбираются
обычно в пределах 0,01—0,1 мкф. Но в момент включения
тиристора конденсатор разряжается через него, и анодный ток
44

увеличивается. Поэтому для ограничения бросков тока
последовательно с каждым конденсатором включают резисторы,
сопротивления которых порядка 10—50 ом.
Управление тиристорами, соединенными последовательно,
можно осуществлять несколькими способами. Можно
управлять одновременно всеми тиристорами при помощи
самостоятельных, изолированных друг от друга цепей управления,
например, в виде трансформатора с несколькими вторичными
обмотками, если управление производится с помощью
импульсов или с помощью переменного напряжения.
Управлять можно и одним тиристором при помощи
внешнего сигнала, а остальными приборами при помощи
производных сигналов. Например, можно подобрать анодное
напряжение таким по величине, что при отпирании одного
тиристора с помощью управляющего сигнала напряжение на
остальных тиристорах станет равным их напряжению
включения, и они будут отпираться без подачи на них
управляющего сигнала.
На рис. 26, б резисторы R и цепочки RC служат для
выравнивания напряжения. Сигнал управления подается на
управляющий электрод тиристора Дз и отпирает его. Ток,
протекающий через резистор /?2, создает на нем падение
напряжения, которое через диод Д5 подается на управляющий
электрод тиристора Дг и отпирает его. При включении тиристора
Д2 ток, протекающий через резистор Ru в свою очередь,
включает тиристор Д\.
В схеме на рис. 26, в после включения тиристора Дг
внешним сигналом конденсатор С3 разрядится через резистор #3,
управляющий электрод тиристора Д2 и включенный тиристор
Дг. При этом ток, протекающий через управляющий электрод
тиристора Д2, отопрет его. Аналогично включится и
тиристор Дь
ПОВРЕЖДЕНИЯ ТИРИСТОРОВ
И МЕРЫ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
Надежность тиристоров, как и других полупроводниковых
приборов, зависит от условий эксплуатации. Так как тепло,
емкость материала тиристоров мала, то они не могут
работать при очень высоких температурах окружающей среды.
Поэтому для нормальной работы тиристоров должен быть
предусмотрен эффективный отвод тепла от них. В то же вре-
мя, поскольку энергия потерь выделяется в малой массе,
температура прибора легко достигает опасных значений, и тири*
стор может выйти из строя.
Наряду с этим в схемах эпизодически могут иметь место
режимы значительной перегрузки тиристорой по току. Кроме
того, схемы с использованием тиристоров позволяют йроизво-
45

дить чрезвычайно быстрое переключение цепей и допускают
режимы с большим числом коммутаций, поэтому возможно
появление опасных перенапряжений на тиристорах.
Указанные причины могут вызывать повреждения тиристоров и их
отказы в работе. Поэтому при проектировании устройств
следует обращать внимание не только на выбор параметров
тиристоров, конструкцию схемы и т, д., но и следует
разобраться в возможных отказах и предусмотреть (если это
необходимо) различные защитные средства, уменьшающие
вероятность отказов.
Для предотвращения отказов обычно используют или
резервирование схемы, или специальные защитные устройства.
Но прежде чем приступить к резервированию схемы, следует
наряду с рассмотрением надежности оценить экономичность
схемы и установить между ними приемлемый компромисс.
Иначе говоря, защитные средства зависят от соотношения
надежности и экономичности, от предполагаемой частоты
отказов, от степени влияния отказов на работу устройства в
целом и т. д. Часто бывает, что использование различных
защитных устройств более выгодно, чем резервирование схемы.
Рассмотрим основные виды отказов, наблюдаемых в
устройствах на тиристорах, и меры для их защиты.
Повреждения из-за перегрузки по току. Низкая
теплоемкость тиристоров делает их защиту от перегрузок по току
крайне необходимой.
При увеличении температуры окружающей среды
сопротивление тиристора в прямом направлении падает, это
вызывает увеличение анодного тока тиристора, а следовательно,
дальнейшее повышение температуры р-п перехода. При
определенном значении этой температуры наступает повреждение
тиристора. Это приводит к утрате тиристором
переключающих свойств.
В абсолютном большинстве случаев при повреждении
тиристора протекает ток короткого замыкания, который может
привести к необратимому пробою тиристора (закорачиванию
р~п перехода).
Существуют самые разнообразные способы защиты от
необратимого пробоя тиристора при протекании через него
большого тока. Выбор и применение того или иного способа
зависит как от величины тока и скорости его нарастания, так и
от цепи, в которой произошло короткое замыкание. Схемы
защиты строятся обычно таким образом, чтобы они могли или
отключить все устройство от источника питания, или
изолировать пробитый тиристор с тем, чтобы обеспечить дальнейшую
работу системы, или, отключив пробитый прибор»
подсоединить к схеме резервные тиристоры. Разумеется, конкретный
способ защиты выбирается для каждой схемы с учетом
требуемой надежности работы всего устройства.
4€

Одни элементы защиты предотвращают протекание
аварийного тока (например, плавкие предохранители), другие
прерывают протекание аварийного тока (например,
автоматические прерыватели), третьи — ограничивают величину или
скорость нарастания аварийного тока (например,
индуктивность). В целом схему защиты желательно строить так,
чтобы она обладала избирательными свойствами. Это означает,
что при выходе из строя одного тиристора должен сработать
лишь тот плавкий предохранитель, который включен
последовательно с поврежденным прибором.
При очень больших перегрузках по току, например, при
коротком замыкании в цепи нагрузки или пробое других
элементов выпрямителя, когда величина и скорость нарастаниа
тока короткого замыкания главным образом ограничивается
незначительным внутренним сопротивлением источника
питания, в качестве элементов защиты могут быть использованы
быстродействующие плавкие предохранители. От будут
отключать всю схему от источника питания всякий раз, когда
ток в схеме станет превышать заранее установленную
величину.
При перегрузках, ограниченных по току, которые
происходят в схемах, где сохраняется достаточно высокое
сопротивление на время замыкания (например, источник питания с
большим внутренним сопротивлением или схема запитывает-
ся через цепи с относительно высоким сопротивлением),
защиту можно осуществить с помощью простых плавких
предохранителей или же с помощью быстродействующих
автоматических прерывателей (выключателей тока). Кроме того, в
этом случае можно предотвратить пробой тиристора, сняв
напряжение с управляющего электрода. Тогда тиристор будет
заперт и в течение следующего цикла через него не будет
протекать аварийный ток.
Повреждения, вызванные перенапряжением. При
переходных процессах в схемах, как известно, возникают
напряжения, значительно превышающие номинальные напряжения
приборов. Это может привести к необратимому пробою
тиристоров и к выходу их из строя. В основном переходные
напряжения в схеме возникают при переключении, и чаще всего
источником перенапряжений является энергия, накопленная
в индуктивности. Особенно большие величины
перенапряжений появляются в высокочастотных схемах с тиристорами,
работающими на индуктивную нагрузку. Для защиты
тиристоров от перенапряжений необходимо сначала оценить
величину и длительность этих перенапряжений.
Существуют различные способы защиты тиристоров от
перенапряжений. В одних случаях используются тиристоры с
более высокими значениями рабочих напряжений, в других —
снижают амплитуду напряжения переходных процессов, Сле*
Я

дует учесть, что использование более дорогостоящего
тиристора с высоким рабочим напряжением иногда бывает
экономически не оправдано.
В случае обратного напряжения, превышающего предельно
допустимое, последовательно с тиристором включают
обычный кремниевый диод Д\ с высоким допустимым значением
обратного напряжения, который
снижает требования к величине
номинального напряжения тири-
д стора (см. рис. 27,а).
1 7 Поскольку токи утечки полу-
\"1 проводниковых приборов могут
\)ЖД2 заметно отличаться, то включают
I шунтирующие сопротивления для
выравнивания обратных
напряжений на приборах. На рис. 27,6
0 представлена схема включения
тиристора, в которой обратное
Рис. 27. Защита тиристора от напряжение будет приложено
переиапряжеиия с помощью только к последовательно вклю-
обычиого кремниевого диода. чеНному обычному кремниевому
диоду Дх.
При очень большом перенапряжении, действующем в
прямом направлении, могут также возникнуть условия для
необратимого пробоя тиристора. В этом случае используется
специальный способ защиты прибора от перенапряжения. Он
заключается в том, что при возрастании напряжения до
некоторой критической величины на управляющий электрод
принудительно подается сигнал управления, который открывает
тиристор.
Для уменьшения амплитуды переходных процессов широкое
распространение получили также емкостные фильтры,
включаемые параллельно тиристору. Последовательно с емкостью,
как правило, соединяют резистор для подавления паразитных
колебаний. Эффективным средством уменьшения переходных
напряжений является последовательное включение RC
цепочки и полупроводникового диода.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ТИРИСТОРОВ
Прежде чем приступить к рассмотрению
примеров применения тиристоров,
укажем на ряд условий, которые требуется
выполнять при работе с этими
приборами.
При переключении тиристоров нельзя
превышать номинальные параметры,
например такие, как допустимое значение
прямого тока, обратное пиковое
напряжение, рабочая температуру.
Нарушение любого условия всегда приводит к
ухудшению параметров тиристора.
При увеличении частоты переключения
тиристоров возрастают потери.
Следовательно, при работе тиристоров в схемах
с большой частотой переключения
следует несколько понижать их параметры
по сравнению с номинальными.
При переключении тиристоров в схеме
могут возникать переходные процессы*
вызывающие довольно значительные
перенапряжения. В этом случае
необходимо принять меры, предохраняющие
тиристор от перенапряжения, и строго
следить, чтобы не были превышены
номинальные параметры.
Необходимый для работы тиристора
управляющий ток всегда различен в
зависимости от температуры окружающей
среды. Использование импульсных методов
управления тиристорами до известной
степени снижает зависимость
управляющего тока от температуры.
Следует следить также за тем, чтобы при
работе тиристоров в схемах на
переменном токе в момент, когда анод прибора
находится под действием отрицательного
напряжения, па управляющий электрод
49

тиристора не поступал сигнал управления. Если же схема
построена так, что сигнал управления в указанный момент
все же поступает на управляющий электрод, то в этом
случае нужно ограничить напряжение на нем с помощью
полупроводникового диода, подключенного к управляющему
электроду тиристора.
С помощью обычного полупроводникового дкода следует
также ограничить отрицательные выбросы напряжения,
поступающие к управляющему электроду со схемы управления.
Длительность управляющих импульсов должна быть
достаточной для установления значения анодного тока
тиристора, равного току удержания.
При параллельном соединении тиристоров требуется
синхронизировать время включения всех тиристоров. Если это
условие не соблюдается, то может произойти не только
перегрузка прибора, включившегося раньше других, но и
создаться такое положение, при котором остальные тиристоры
вообще не смогут быть включены. При питании управляющих
электродов от одного источника питания можно добиться
одновременного включения всех тиристоров, если подобрать
сопротивления резисторов, которые в этом случае включаются
в цепи управляющих электродов приборов для выравнивания
входных характеристик тиристоров.
При последовательном соединении тиристоров, как прави*
ло, управляющие электроды приборов должны быть
электрически разделены друг от друга, например, с помощью
трансформатора. Кроме froro, желательно добиваться
одновременного включения приборов, например, с помощью делителя на
резисторах.
Ниже приводятся некоторые примеры практического
использования тиристоров.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Весьма широкое применение тиристоры нашли в схемах,
которые используются для преобразования постоянного тока
в переменный или же в постоянный ток другого напряжения,
а также для преобразования переменного тока одной частоты
в переменный ток другой частоты.
На рис. 28 представлена одна из простейших схем
преобразования постоянного тока в переменный. Источником
питания анодных цепей тиристоров служит источник постоянного
тока £. В исходном состоянии тиристоры Д% и Да заперты и
коммутирующий конденсатор С не заряжен. Сигнал,
управляющий тиристорами, поочередно подается на приборы со
схемы управления Частота управляющего сигнала
определяет частоту переменного тока в нагрузке R.
Допустим, что сигнал управления открывает вначале
тиристор Ди В этом случае напряжение питания через откры-
50

тый тнристор прикладывается к верхней половине первичной
обмотки трансформатора Тръ а конденсатор С заряжается
почти до двойного напряжения питания вследствие того, что
ток, протекающий по верхней части обмотки, вавод$т на ее
нижней части э.д.с, примерно равную по величине
напряжению питания. Полярность напряжения на конденсаторе указа-
Рис 28 Простейшая схема преобразователя напря
жеиия.
иа на рисунке. Когда управляющий сигнал включает тиристор
Д2, то напряжение на конденсаторе, которое не может
измениться мгновенно, будет приложено к тиристору Д* минусом
к аноду и запирает его. При включении тиристора Дз ток от
источника питания Е протекает уже по важней половине
первичной обмотки трансформатора Тр% в обратном направлении.
Полярность напряжения на трансформаторе, а следовательно,
и полярность заряда конденсатора меняется на нротивопо-
ложную. Это приводит к тому, что ири последующем
отпирании тиристора Мх тиристор Дз запирается. Дроссель Др
предохраняет от короткого замыкания источник питаная Е во
время переключения схемы.
Примером практического применения инверторов является
использование их для точного регулирования скорости
вращения малогабаритных синхронных электродвигателей,
УПРАВЛЕНИЕ МОЩНОСТЬЮ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Схемы, подобные изображенной на ряс 29, могут быть
использованы для регулирования яркости горения электроламп,
температуры в печах, регулирования напряжения и т. д.
Схемы управления тиристорами в этом случае могут быть
самыми различными. В данной схеме для управления тиристорами
использован двухбазоаьш диод.
Питание схемы осуществляется от источника переменного
напряжения £/* Для питания двухбазового диода это перемен-
Si

ное напряжение выпрямляется с помощью моста, собранного
на диодах Дх—Дь и со стабилитрона Д$ подается иа двухба-
зовый диод. Конденсатор С заряжается до напряжения, при
котором происходит отпирание двухбазового диода. При этом
на первичной обмотке / импульсного трансформатора Тр
возникает бросок напряжения. Вторичные обмотки (// и II1)
Рис 29 Схема управления мощностью
переменного тока.
трансформатора подключены к управляющим электродам
тиристоров Дв и Д7- Импульсы управления отпирают тот
тиристор, к аноду которого в данный момент будет приложена
положительная полуволна напряжения источника питания.
Если, например, открылся таристор Д^ то напряжение на этом
приборе резко падает, что приводит к уменьшению
напряжения питания на схеме управления, и схема управления
перестает вырабатывать импульсы запуска до тех пор, пока
тиристор Дб не запрется. Во время другой полуволны источника
напряжения открывается тиристор Д7, и процесс повторяется.
Переменным резистором R2 можно регулировать момент
появления сигналов управления и, следовательно, управлять
временем, в течение которого тиристоры находятся в
проводящем состоянии. Таким образом осуществляется регулировка
мощности на нагрузке,
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Схема на рис. 30 позволяет осуществить регулирование в
некоторых пределах скорости вращения электродвигателя. Во
время положительной полуволны напряжения источника
питания U конденсатор С заряжается через потенциометр Ri и
диод Д\ до напряжения1 необходимого для включения тири-
S2

стора Д*. Ток управления тиристором протекает через
диод Д2-
Чем большая часть сопротивления потенциометра
замыкается с помощью диода Ди тем быстрее заряжается
конденсатор до напряжения включения и более длительное время
через тиристор и через мотор протекает ток источника питания,
схема горизонтальной развертки
электроннолучевой трубки
Применение тиристоров в телевидении позволяет получи гь
отклоняющий ток, достаточный для электроннолучевых
трубок с большими экранами. Тиристоры находят применение и
в схемах отклоняющих систем цветных кинескопов.
На рис. 31 приведена принципиальная схема
горизонтальной развертки электроннолучевой трубки на тиристорах.
Конденсатор С, называемый конденсатором обратного хода
электронного луча, заряжается за время прямого хода
развертки. В момент начала обратного хода каждого периода
горизонтальной развертки тиристор Д2 отпирается
управляющим импульсом, и энергия, накопленная конденсатором С,
передается в отклоняющую катушку £,откл за время обратного
хода. Повышающий трансформатор Тр называется
трансформатором обратного хода. В конце интервала обратного хода*
Рис. 30. Схема для
регулирования скороеги
вращения
электродвигателя.
Рис 31. Схема горизонтальной
развертки электроннолучевой
трубки телевизора.
когда кончается передача энергии в отклоняющую катушку,
включается демпфирующий диод Д\ и начинает протекать
линейный ток развертки (прямой ход). Начало следующего
интервала обратного хода должно совпадать с моментом
окончания протекания линейного тока развертки. Катушка L\
представляет эквивалентную паразитную индуктивность схе-
53

мы. Дроссель Др служит для резонансного заряда
конденсатора С.
СХЕМА ПРЕРЫВАТЕЛЯ
В исходном состоянии схемы (рис. 32) оба тиристора
заперты. Управляющий импульс подводится одновременно к
диодам Д\ и Д2. Но поскольку на диод Д2 через резисторы
/?2 и /?з подается большое
обратное напряжение
смещения, управляющий
импульс пройдет через диод
Дг на тиристор Д3 и
отопрет его» При этом
обратное напряжение смещения
на диоде Дг уменьшится
до величины менее 1 в, и
управляющий импульс
отопрет тиристор Д4. С
помощью коммутирующего
конденсатора С\
произойдет запирание тиристора
Дз. Лампочка Л
загорится и будет гореть до прихода следующего импульса
управления. Таким образом, лампочка будет мигать с частотой
прихода импульсов управления.
Так как управляющий импульс подается одновременно к
диодам Д\ и Д2, постоянную времени цепочки #2Ci следует
выбирать значительно больше длительности импульса
управления. В этом случае на аноде тиристора Д3 отрицательное
напряжение будет оставаться и после окончания импульса
управления, что обеспечивает надежное запирание этого
тиристора.
Рнс. 32. Схема прерывателя.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ
АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЕ
Одни из вариантов устройства для зарядки аккумуляторных
батарей покззаен на рис. 33» Заряд батареи Б происходит с
помощью двухполупериодного выпрямителя, выполненного на
диодах Дх и Д2 через тиристор Д4. Напряжение, до которого
дшшва заряжаться батарея,, устанавливается с помощью
потенциометра /?& Если напряжение на батарее мало,
транзистор Тг заперт, а транзистор Т% отперт, к тюк, протекающий
через» нею, создает на резисторе R% управляющий, сигнал для
отпирания, таршгтора. Тиристор отпирается, и аккумуляторная
батарея заряжается*
Ы

Когда напряжение на батарее возрастет до напряжения,
способного отпереть транзистор Г2, ток череа транзист<2£ Т*
прекратится и с управляющего электрода тиристора Л*
снимается сигнал управления. После этого батарея переходе* в
режим подзарядки малым током, определяемым только
сопротивлением резистора Ri.
Рис. 33. Устройство для зарядкц аккумуляярршлх
батарей.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ
ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
На рис, 34 приведена схема для дву&аояунернодного
выпрямления переменного напряжения, в которой в двух шмах
моста стоят обычные диоды Дх и Д2, а в двух других —
тиристоры Д3 и Д4. При наличии на
управляющих электродах тиристоров
положительного сигнала ток будет
поочередно протекать по цепа;
тиристор Дг, нагрузка R*, диод Д2; или по
цепи: тиристор Д4, нагрузка Rm
днод Ди
Изменяя момент отпирания
тиристоров с помощью задержки имнуль-
сов управления, можно регулировать
среднюю величину напряжения на
нагрузке. Если нагрузкой
приведенной схемы является электродвигатель, то в этом случае будет
обеспечиваться эффективное регулирование скорости его вва*
щения.
Рис 34. Схема лт регу*
лировааия вепичят вы*
прямленного
напряжения.
ГЕНЕРАТОР ОДИНОЧНЫХ ИМПУЛЬСОВ
При нажатии на ключ К схема, изображенная на рис. 36,
вырабатывает одиночный импульс отрицательной полярности
с довольно крутым передним фронтом»
55

В исходном состоянии конденсатор С заряжается до
напряжения источника питания Е% Когда же ключ К замкнет
нижний контакт, то на управляющий электрод тиристора Д\
будет подан положительный импульс напряжения, и он
отпирается. Конденсатор С быстро разряжается через тиристор, а
на выходе схемы появляется импульс отрицательной полярно-
Вшход
Рис. 35 Схема генератора одиночных
импульсов
Рис 36 Схема под-
жига игнитрона
cm И как только анодный ток тиристора станет меньше тока
удержания, прибор запирается. Диоды Д2 и Дз
предотвращают появление на выходе схемы импульса положительной
полярности в исходном состоянии ключа /С
СХЕМА ПОДЖИГА ГАЗОРАЗРЯДНОГО ПРИБОРА
В схеме на рис. 36 тиристор используется для поджига
игнитрона. При подаче на управляющий электрод
положительного импульса тиристор отпирается и на поджигающий
электрод игнитрона поступает большой импульс тока,
вызывающий зажигание игнитрона. Конденсатор С, который был
заряжен до напряжения источника питания Е, в это время
быстро разряжается через незначительное сопротивление
игнитрона и сопротивление нагрузки RHt на котором появляется
почти полное напряжение питания. После разрядки
конденсатора С тиристор запирается и устройство вновь готово к
работе.

ТИРИСТОРЫ С ВЫКЛЮЧЕНИЕМ
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ
О ТИРИСТОРАХ С ВЫКЛЮЧЕНИЕМ
Использование таких полупроводниковых
приборов, как тиристоры и транзисторы,
позволяет выполнять большое количество
переключающих функций в цепях
переработки информации и регулирования
мощности. Но возможности
использования этих приборов все же несколько
ограничены. Транзисторы нельзя считать
высоковольтными приборами, а при
использовании тиристоров в цепях
постоянного тока их трудно запереть, если они
находятся в проводящем состоянии. Уже
было указано, что одним из преимуществ
тиристора перед транзистором является
способность первого оставаться в
проводящем состоянии и после окончания
импульса управления. Но транзистор
запирается сразу же после снятия
управляющего сигнала, а выключение тиристора
осуществляется только после разрыва
тока в анодной цепи прибора.
Новый прибор, получивший название
«тиристор с выключением» (часто этот
прибор называют также «запираемым
переключателем»), не имеет указанных
выше недостатков. Обозначение прибора в
схемах показано на рис. 37. Этот прибор
можно включать и выключать с помощью
сигналов, которые подаются на
управляющий электрод: для отпирания
требуется сигнал положительной полярности,
а для запирания — отрицательной.
Нужно отметить то обстоятельство, что
сигнал для запирания тиристора
представляет собой относительно короткий
(менее 10 мксек) маломощный импульс.
57

Запираемый переключатель является
усовершенствованием тиристора. Он представляет собой также четырехслойнро
р-п-р-п структуру (хотя и более сложную) с тремя электро-
дами. В центральной зоне запираемый переключатель имеет
значительно большую активную область, нежели у обычного
тиристора, и именно благодаря этому у
прибора появились такие замечательные
свойства.
Рассмотрим условия, необходимые для
выключения запираемого переключателя.
Процессы, происходящей при включении этого
прибора, аналогичны процессам в обычном
тиристоре.
Запираемый переключатель, подобно тн-
Рис 37 ристору, переводится в проводящее состояние
Обозначение с помощью положительного сигнала, подавае-
запираемого мого на управляющий электрод прибора. Но
переключате- следует отметить, что для включения запирае-
ля в схемах. мого переключателя требуется больший
управляющий ток, чем для обычного тиристора
с теми же номинальными параметрами. Большим является
так же и ток, удерживающий * прибор в проводящем
состоянии, я в проводящем состоянии рассеивается большая
мощность. У мощных запираемых переключателей и тиристоров
эти различия существенны, но с ними мирятся и
рассматривают их как «плату» за возможность запирать прибор
импульсом управления.
Разработать прибор, который при относительно большом
токе, протекающем через него, мог бы запираться маломощным
импульсом, значительно труднее, чем создать прибор,
обладающий большим усилением в режиме отпирания. Эта
сложность связана с тем, что в тиристорах, находящихся в
проводящем состояний, проявляется действие регенеративного
механизма с обратной связью, который препятствует запиранию
прибора. Таким образом, для запирания прибора с р-п-р-п
структурой требуется вывести его из режима регенерации.
Как же это осуществить?
Для выключения запираемого переключателя на его
управляющий электрод должен быть подан отрицательный
сигнал управления с целью уменьшения тока базы
эквивалентного транзистора типа п-р-п (см. рис. 8) до величины, которая
выводит оба условных траязнстс^а из насыщения.
Остановимся на этом несколько подробнее.
Если в данный момент происходит включение р-п-р-п
структуры, то в так называемых п- н р-базах происходит
накопление основных носителей. Каким же образом это
происходит?
Если считать, что общий ток через четырехслойную струк-
58

туру равен /а, то в р-базу течет дырочный ток, равный
ар-л-р/а ; аналогично в я-базу течет электронный ток
an-p-nl*> r№ «iwi-p и aiMwr — коэффициенты усиления по
току условных транзисторов различных типов. Таким образом,
в р-базе появится дырочный ток, равный а^л-р/а, и
электронный ток, равный (1 — art,p-rt)/a (поскольку ап-р-п отличается
от единицы). Это означает, что в р-базе произошло
накопление основных носителей:
Принимая во внимание, что величина тока одна и та же
для всех слоев, можно сказать, что в л-базе произойдет
точно такое же накопление основных носителей. Если величина
П\ положительна, то мы имеем накопление основных
носителей, если же она отрицательна, то наблюдается рассасывание
этих носителей. Поскольку включение прибора происходит от
положительного импульса тока, поступающего в управляющий
электрод, то rti — аяр-л/у.э'
Итак, для запирания рассматриваемой р-п-р-п структуры
необходимо при помощи отрицательного управляющего
сигнала уменьшить заряд, накопленный в базах прибора до
величины, способной остановить внутреннюю регенерацию
носителей. Выключение прибора заканчивается в тот момент, когда
напряжение на центральном переходе (#2) меняется с
прямого на обратное. Этот процесс состоит из двух частей:
а) снижение этого напряжения до нуля; б) появление
обратного напряжения. Рассмотрим кратко эти процессы.
Предположим, что к управляющему электроду отпертого
тиристора с выключением подводится отрицательный
(запирающий) импульс тока. Если мы хотим уменьшить прямое
напряжение центрального перехода до нуля, то следует
снизить до нуля и скорость накопления носителей. Это можно
сделать с помощью отрицательного сигнала управления,
который уменьшает количество носителей в базах прибора на
величину й2«а».р.Л/у.э.
При п?**П\ накопление носителей прекращается
(прекращается внутренняя регенерация носителей). В этом случае
прямое напряжение, существовавшее на центральном
переходе до появления запирающего тока управления,
уменьшается почти ho экспоненциальному закону с постоянной
времени, примерно равной времени жизни носителей.
Используя полученные выше выражения, можно
определить величину управляющего тока, необходимого для
запирания прибора:
I q л-p-ft "^ ар»я-р "~ /
Если величина выключающего тока, протекающего через уп-
W

равляющий электрод прибора, больше величины тока,
определенного по этой формуле, то разность пх—п2 становится
отрицательной и происходит рассасывание основных носителей.
Это рассасывание способствует изменению полярности
напряжения на центральном переходе, что и снижает анодный
ток через прибор до малой величины, называемой прямым
током утечки, и прибор запирается. Чтобы прибор находился в
этом состоянии, отрицательный сигнал управления больше не
нужен.
Для определения величины тока управления,
необходимого для запирания прибора, служит коэффициент усиления К
в режиме запирания:
К=
/а
•*п-р-п
уэ
а И-р-п"т"ар-И*р I
Коэффициент усиления в режиме запирания определяется как
отношение величины анодного тока прибора к величине
управляющего тока, который вызывает запирание. Из последнего
выражения следует, что величину ап-р-п + ар*п-р — 1
желательно иметь по возможности минимальной.
Как уже указывалось, большая величина тока управления
для выключения прибора нежелательна. Во-первых, она
требует увеличения мощности источника управления; во-вторых,
цепь управления должна быть рассчитана на большие токи;
в-третьих, значительный ток запирания
вызывает нежелательное падение на-
пряжения на так называемом переход*
ном сопротивлении р-базы. Последнее
препятствует первоначальному
снижению прямого напряжения при подаче
отрицательного сигнала управления, а
"Т I I l-^J эт0' в свою 0ЧеРедь» препятствует за-
I 1 \JJr пиранию прибора.
Учитывая все сказанное, можно
сделать вывод, что уменьшение
величины отрицательного напряжения
управляющего сигнала, т. е. увеличение
коэффициента усиления К в режиме
запирания, является одним из ключе*
вых пунктов при разработке тиристо*
ров с выключением. Объем настоящей брошюры не позволяет
подробно остановиться на методах получения больших
коэффициентов усиления К в режиме запирания, поэтому более
подробно с этим можно ознакомиться в специальной
литераторе, приведенной в конце брошюры.
Большой коэффициент усиления в режиме запирания
можно получить либо использовав приборы специальной
конструкции, либо с помощью схемных решений.
Рис 38 Увеличение
коэффициента
усиления тиристора с
выключением в режиме
запирания с помощью
транзистора.
60

Великолепные результаты (для получения большого К)
дает сочетание транзистора и запираемого переключателя
(рис. 38), Положительный управляющий сигнал,
приложенный к управляющему электроду запираемого переключателя,
переводит прибор в проводящее состояние. Ток /2,
протекающий через запираемый переключатель, является базовым
током для транзистора Г, а падение напряжения на р-п-р-п
структуре служит смещением для этого транзистора. Если
транзистор имеет большой коэффициент усиления по току б,
то большая часть тока нагрузки будет протекать через
транзистор, т. е. этот ток равен В/2. Если, например, В=50, то
общий ток
/ = /^£/2 = 50/2 + 72 = 51/2.
При коэффициенте усиления тиристора с выключением
К—25 прибор можно запереть током /г, который управляет
током запирания:
/у.- -£--=0.04/2.
Но как только тиристор с выключением запрется,
транзистор, при отсутствии базового тока /г, тоже запрется. Таким
образом, ток величиной 0,04/2 управляет током величиной 51/2,
поэтому можно считать общий коэффициент усиления в
режиме запирания — =1275.
* 0,04/2
Поскольку коэффициент усиления К в режиме запирания
является функцией нескольких переменных, укажем только на
основные факторы, влияющие на величину этого
коэффициента.
Коэффициент усиления К прибора уменьшается при
повышении температуры окружающей среды, так как
увеличиваются коэффициенты а, в результате чего эффективность
прибора при запирании снижается. При некоторой, достаточно
высокой, температуре коэффициент усиления прибора К
может уменьшиться до такой величины, что выключение
прибора с помощью запирающего сигнала будет осуществить уже
невозможно и он может выйти из строя. Поэтому при работе
с запираел&ши переключателями следует следить за тем,
чтобы рабочая температура находилась в пределах, указанных
в паспорте приборов.
Время нарастания управляющего сигнала также влияет
на режим запирания тиристора с выключением. В том
случае, когда индуктивность в цепи нагрузки мала или совсем
отсутствует, использование запирающего сигнала с
относительно крутым фронтом нарастания имеет определенные
преимущества, заключающиеся в ускорении процесса запирания.
Однако при слишком крутом заднем фронте импульса
коэффициент усиления К в режиме запирания может уменьшить-
61

ся. Это явление связано с емкостью р-п перехода —
управляющий электрод-катод. Отрицательная производная по
времени dUldt (на переднем фронте импульса) ускоряет
процесс запирания, при положительной же производной dUjdt (на
заднем фронте импульса) происходит перезаряд емкости в
направлении, способствующем включению запираемого
переключателя. В режиме отпирания прибора этот эффект
проявляется в снижении чувствительности запираемого
переключателя к сигналу включения, прикладываемому к
управляющему электроду.
Если же в цепи нагрузки имеется хотя бы небольшая
индуктивность, то она заметно влияет на режим запирания
прибора. В этом случае ожидается уменьшение коэффициента
усиления по току в режиме запирания, что объясняется
возникновением в цепи нагрузки напряжений и токов
переходного процесса с большими амплитудными значениями. Это
особенно заметно, когда сигнал управления имеет крутой фронт.
Длительность управляющего импульса также до
известной степени влияет на режим запирания. При уменьшении
длительности управляющего импульса требуется увеличить
амплитуду импульса запирания, чтобы сохранить мощность
импульса, подаваемого на управляющий электрод прибора.
Коэффициент К зависит и от величины анодного тока. При
увеличении анодного тока величина запирающего тока
управления также возрастает.
Коэффициент усиления прибора в режиме запирания
значительно зависит от напряжения питания анодной цепи. При
увеличении этого напряжения требуется более мощный
запирающий сигнал. Это объясняется тем, что при большем
напряжении питания необходимо, чтобы внутреннее
сопротивление тиристора с выключением при его запирании возросло.
Последнее можно осуществить только путем подачи на
управляющий электрод прибора более мощного сигнала
управления отрицательной полярности. Хорошей аналогией
сказанного может служить подача отрицательного смещения
большей величины на управляющую сетку электронной лампы.
Итак, заканчивая рассмотрение тиристоров с
выключением, сделаем некоторые выводы:
1. Запираемые переключатели могут включаться
положительным импульсом тока, поданным в цепь управления, щ
выключаться с помощью отрицательного управляющего
импульса.
2, Для получения более высокого коэффициента усиления
во току в режиме выключения необходимо, чтобы пределы из*
менения анодного тока были минимальными.
3. Время выключения у запираемого переключателя мень*
ше, чем у обычного тиристора, и поэтому первый может ра*
ботать при более высоких частотах.
62

4. Необходимо применять меры для ограничения
перенапряжений в процессе выключения.
5. Необходимо, чтобы мощность, выделяемая на приборе
при его выключении, не превышала максимально допустимую
мощность, указанную в паспорте прибора.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТИРИСТОРОВ С ВЫКЛЮЧЕНИЕМ
Запираемые переключатели находят все более широкое
применение. Они используются и в одноэлементных тригерах,
и в преобразователях, выполненных без обычных элементов
коммутации, применяемых при работе с тиристорами. Это
приводит к снижению стоимости, уменьшению веса и
габаритных размеров аппаратуры, упрощению схемы. При
использовании запираемых переключателей в схемах, где не
предусматривается выключение по цепи управления, эти
приборы также имеют преимущество, так как позволяют
уменьшить размеры, стоимость и потери в элементах коммутации.
Схема прерывателя. Простая схема прерывателя,
изображенная на рис. 39, работает следующим образом. После
включения источника питания через обмотку /
трансформатора Тр начнет протекать ток. Тиристор с выключением Д в
первый момент находится в запертом состоянии. Как только
произойдет насыщение сердечника трансформатора, полное
сопротивление его обмоток
падает и прибор включается с
помощью положительного
импульса управляющего тока.
Обмотка // обеспечивает
процесс регенерации, ускоряющий
включение прибора. После
того как тиристор отопрется,
полярность напряжения на
обмотке / трансформатора Тр
меняется на
противоположную. Сердечник
трансформатора сначала выходит из
насыщения, а затем насыщается
в обратном направлении. Протекающий через цепь
управления запираемого переключателя обратный ток выключает
прибор.
С помощью потенциометра R2 можно менять скважность,
т. е. отношение времени, в течение которого прибор остается
включенным, ко времени, в течение которого прибор заперт.
Если в трансформатор Тр ввести третью обмотку, то
скважность можно будет регулировать путем изменения тока
в этой обмотке. Ток управления, протекающий через третью
обмотку в одном направлении, будет уменьшать скважность
\+2Ьй
Рнс. 39. Схема прерывателя на
тиристоре с выключением.
63

сигнала на выходе, а управляющий ток противоположного
направления будет увеличивать скважность.
9 Генератор импульсов повы-
1+т Тй шейного напряжения. Схема,
изображенная на рис. 40,
применяется в качестве генератора
повышенного напряжения. При
подаче на базу транзистора Z
отпирающего импульса, тран*
зистор отпирается и через него
потечет ток, включающий запи*
раемый переключатель Д. При
запирании транзистора Т
напряжение на дросселе Др меняет
свою полярность, и запирае-
Рис. 40. Схема генератора им- мый переключатель выключает*
пульсов повышенного напряжения ся. При выключении ЭТОГО ПрИ-
на тиристоре с выключением. бора во вторичной обмотке
трансформатора Тр индуцируется импульс повышенного
напряжения. Этот импульс имеет форму затухающего колебания, ча*
стота которого определяется индуктивностью обмотки /
трансформатора Тр и емкостью конденсатора С.
ЛИТЕРАТУРА
Ф. Джентри, Ф. Гутцвиллер, Н. Го л он ь я к, Э. фон За*
стров. Управляемые полупроводниковые вентили. М., «Мир», 1967.
В. А. Кузьмин, К. Я. Сенаторов. Четырехслойные полупровод-
пиковые приборы. М., «Энергия», 1967.
Кремниевые управляемые вентили-тиристоры. Технический
справочник. Перевод с англ. Под ред. каид. техн. наук В. А Лабунцова и А. Ф.
Свиридова. М, «Энергия», 1964.
Вопросы физики и применения тиристоров. МЛТИ, 1967.
Н. М. Тищенко, В. Г. Машлыкии. Динисторы и тиристоры и их
применение в автоматике. М., «Энергия», 1966.
В. А. Л а б у н ц о в, Г. А. Р и в к и н, Г. И. Шевченко. Автономные
тиристорные инверторы. М., «Энергия», 1967.
В. Е. Вершин. Быстродействующие полупроводниковые
переключатели. М., «Энергия», 1965.
Электроприводы с полупроводниковым управлением. В. кн.: Полупро*
водниковые управляемые вентили-тиристоры. Сборник статей под ред.
проф. М. Г. Чиликина. М., «Энергия», 1964.
Полупроводниковые приборы с отрицательным сопротивлением. Сбор*
ник переводных статей под ред. С. А. Горяинова. М., Госэнергоиздат, 1962,
Я. А. Федотов. Основы физики полупроводниковых приборов. М,
«Советское радио», 1963.
И. П. Степаненко. Основы теории транзисторов и транзисторных
схем. М., Госэнергоиздат, 1963.
Справочный листок. Кремниевые четырехслойные управляемые и
неуправляемые переключающие диоды. «Радио», 1965, № 2.
Г. Ф. С т р о м. Кремниевые управляемые вентили с выключением.
Доклад представлен на Второй Междунар. конгресс ИФАК. г. Базель,
Швейцария, 1963.
Новый полупроводниковый переключатель. «Электроника», 1963, N° 17,

12 коп.
УВАЖАЕМЫЙ ТОВАРИЩ!
Издательство «Знание» предлагает Вашему
вниманию серию подписных научно-популярных
брошюр «НАУЧНЫЙ КОММУНИЗМ».
В этих брошюрах читатели найдут ответ на актуальные
вопросы нашего времени о путях дальнейшего общественного
развития, о закономерностях и формах строительства
социализма и коммунизма, о роли партии и развитии
социалистическою общества, о международном коммунистическом
движении на современном этапе и т. д.
Ежегодно в серии «Научный коммунизм» выходит 12
брошюр
Вот некоторые из работ, которые готовятся к печати в
1968 году.
БУТЕНКО А. П. Социализм и его формы.
БРУТЕНЦ К И. Революционная демократия в
освободившихся странах.
БАТАЛОВ В. Г. Мир и социализм.
СИНИЦЫН В. Г. Пути становления и развития
социалистического быта.
КУСКОВ Е. И. Боевой авангард человечества (мировое
коммунистическое движение).
СОКОЛОВ И. А. Противоречия современного
капитализма.
Напоминаем, что брошюры серии «НАУЧНЫЙ
КОММУНИЗМ» распространяются по подписке.
Подписная цена на квартал — 27 коп. Серия
помещена в каталоге «Союзпечати» в разделе «Научно-
популярные журналы под рубрикой: «Брошюры
издательства «Знание».