Как работает тиристор: лавина, диоды, управляющий электрод. Простое объяснение

Абитуриенты и студенты, да и многие инженеры, часто не чувствуют физики работы электронных компонентов и устройств. Нередко они умеют включать прибор в схему, но не понимают, почему он ведёт себя так, а не иначе, т.е. действуют по шаблону, что нас искренне печалит. Сегодня мы постараемся раскрыть тайну работы тиристора, максимально просто и деликатно, так, как никто другой не делал.

Почему принцип работы тиристора очень сложно объяснить?

Тиристор — сложное для понимания электронное устройство. Чтобы объяснить принцип его работы большинство тематических источников в качестве педагогического приёма используют аналогии и сравнения с другими физическими процессами и устройствами. Мы поступим также, но для начала проанализируем те аналогии, которые широко используются на сегодняшний день. Затем представим наш взгляд на обсуждаемую тему; пойдём по пути «от простого к сложному, от неуправляемого — к управляемому», уверенны, будет полезно и интересно!

Тиристор уникален тем, что он сочетает в себе свойства разных классов приборов:

• Как диод — проводит ток только в одном направлении
• Как транзистор — управляется внешним сигналом
• Как реле — имеет два устойчивых состояния (вкл/выкл)
• Как триггер — запоминает факт переключения.

Главное: он не может плавно регулировать ток (работать в линейном режиме), в отличие от биполярного транзистора.

Популярные аналогии для объяснения принципа работы тиристора

Мы подобрали наиболее популярные модели для объяснения принципа работы тиристора:

Электронная «кнопка с защелкой». Алгоритм работы: нажимаем кнопку — механизм защелкивается и остается включенным даже после того, как кнопку отпустили. Чтобы отключить, нужно обесточить устройство.

• Плюс для понимания: отлично передает главную особенность работы тиристора — фиксацию во включенном состоянии после короткого управляющего импульс.
• Минус: в тиристоре нет механической защелки — он держится за счет внутренних физических процессов.

Снежная лавина. Алгоритм работы: выстрел из пушки вызывает сход лавины. Лавина нарастает сама по себе, хотя после выстрела прошло значительное время.

• Плюс: Наглядно показывает принцип лавинообразного нарастания тока через тиристор после включения
• Минус: Снежная лавина остановится рано или поздно, а тиристор — только тогда, когда с него снимут напряжение Анод-Катод.

Толпа людей в узкой двери. Неординарная и наглядная картинка, но мы же — электронщики …

Транзисторный аналог (для технически подкованных, самая популярная аналогия многие годы).

• Представление: Тиристор — это два транзистора (p-n-p и n-p-n структуры), соединенные так, что коллектор одного подключен к базе другого. Это считается классической и самой классной моделью работы тиристора для «продвинутых».

Двухтранзисторная классическая модель работы тиристора

Такая модель работы тиристора представлена на рисунке ниже.

Рис.1 Двух-транзисторная классическая модель работы тиристора

Всё понятно? Сомнительно. Признаемся себе, даже прекрасно разбираясь в принципе работы транзистора, понять это трудно, часто невозможно. Складывается впечатление, что кто-то сознательно хочет запутать как новичка, так и опытного специалиста. «Продвинутый» видит на этой картинке два транзистора, включенных в кольцо, и думает: «А…, так это просто положительная обратная связь!».

Всё можно объяснить проще.

Тиристор: модель Васильева

Новый взгляд на принцип работы тиристора нам подсказал наш знакомый инженер с фамилией Васильев. Он автор концепции, а мы уважаем права автора. Самое главное; наши абитуриенты понимают и принимают его объяснение принципа работы тиристора проще всех других концепций вместе взятых.

Автор предлагает отталкиваться от первого двухвыводного тиристора, которого принято называть динистором. Если заглянуть внутрь этого компонента, можно увидеть ту самую четырехслойную p-n-p-n структуру, как у тиристора. Структура и модель работы динистора представлены на рисунке.

Рис.2 Структура динистора и его модель «диод – стабилитрон – диод»

Вольт-Амперная Характеристика (ВАХ) динистора говорит о том, что при повышении напряжения Анод-Катод (Uак) до Uвкл, происходит его лавинообразный пробой.

Рис.3 Вольт-Амперная Характеристика (ВАХ) динистора

Примечание: УГО — Условно-Графическое Обозначение

Согласно этой модели, происходит лавинообразный пробой стабилитрона (p-n-переход (2-3) в центре структуры), а два диода (1-2 и 3-4) работают в обычном прямом включении. Очевидно, что если собрать подобную схему из трёх отдельных компонентов в соответствии с этой аналогией (диод — стабилитрон — диод), она будет работать как обычный стабилитрон с учётом падений напряжения на диодах. Но мы имеем дело не с отдельными электронными компонентами соединёнными последовательно, а с p-n-p-n структурой внутри одного корпуса, где после лавинного пробоя стабилитрона pn-переходы диодов превращаются в инжекторы; диод 1-2 — в инжектор дырок, а диод 4-3 — электронов. Эта «добровольная» инжекция как раз и не позволяет лавинообразному пробою стабилитрона завершиться до тех пор, пока не будет снято напряжение Анод-Катод.

Если к p-области 3 подключить управляющий электрод, то подавая на него положительное постоянное или импульсное напряжение можно управлять инжекцией электронов из n-области 4 в p-область 3 (т.е. в Анод стабилитрона). Эта искусственная инжекция даёт возможность регулировать напряжение лавинного пробоя стабилитрона. В результате, мы получили тиристор, как показано на рисунке 4.

Рис.4 p-n-p-n структура с управляющим электродом (тиристор)

Чем больший ток подаётся на управляющий электрод, тем меньшее напряжение Uак (Анод-Катод) требуется для перехода тиристора в открытое состояние. Постоянный потенциал на управляющем электроде тиристора на сегодняшний день используется очень редко, как правило, для управления применяются импульсный и многоимпульсный режимы.

Рис.5 ВАХ тиристора

Тиристор — это не два транзистора, играющих в перекрёстные прятки. Это лавина, которую кормят два диода. А управляющий электрод — просто искра, которая эту лавину запускает.

Запираемые тиристоры

Данная модель также просто объясняет принцип работы запираемых тиристоров GTO (Gate Turn-Off):

Что особенно приятно, все наши обучающиеся, кто понял, как работает pn-переход обычного диода, сразу понимают такое объяснение принципа работы тиристора. Если вы хотите понять, как работает симистор, просто представьте себе «бутерброд» из двух тиристоров, включённых встречно-параллельно. Лавины там будут бегать туда-сюда, но суть та же.