Тиристоры

Устройство, принцип работы, обозначения диодных и триодных тиристоров
.

Приборы с четырехслойной структурой р-п-р-п
представляют собой один из видов многочисленного семейства полупроводниковых приборов, свой­ства которых определяются наличием в толще полупроводниковой пластины смежных слоев с различными типами проводимости. Основу такого прибора со­ставляет кремниевая пластина, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слои с дырочной р
и электронной n проводимостями (рис. l.a) Эти четыре слоя образуют три р-п
перехода J1,J2, J3.
Выводы в приборах с че- тырехслойной структурой делаются от двух крайних областей (р и n), а в боль­шинстве приборов - и от внутренней области р.

Крайнюю область р
структуры, к которой подключается положительный полюс источника питания, принято называть анодом A ,
крайнюю область n, к которой подключается отрицательный полюс этого источника,-катодом К,
а вывод от внутренней области р-управляющим электродом УЭ.
Естественно, что для полупроводникового прибора такие определения носят ус­ловный характер, однако они получили широкое распространение по аналогии с тиратронами и ими удобно пользоваться при описании схем с этими приборами.

Согласно ГОСТ 15133-77 все переключающие полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми состояниями, имеющие три или более р-п
перехода, на

Рис.. Схематическое устройство полупроводникового прибора с четырехслой- ной структурой (а), представление его в виде двухтранзисторной схемы (б, в)

зываются тиристорами. Приборы с двумя выводами (анод и катод) назы­ваются диодными тиристорами или динисторами, а приборы с тремя выводами (анод, катод, управляющий электрод) - т р и о д н ы м и - тристорами или тринисторами.

Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой может быть мо­делирован комбинацией двух обычных транзисторов с различными типами про­водимости (рис. 1.б.в); VT
1
со структурой p-n-
p
i
и VT
2
со структурой п-р-п. У
транзистора VT
1
переход J1 является эмиттерным, а переход J2 коллекторным, у транзистора УТ
2
эмиттерным служит переход J3,
а коллекторным J2,
таким образом, оба транзистора имеют общий коллекторный переход J2 (рис. 1.б). Крайние области четырехслойной полупроводниковой структуры являются эмит­терами, а внутренние-базами и коллекторами составляющих транзисторов VT
1
и VT
2
.

База и коллектор транзистора VT
`
соединяются соответственно с коллекто­ром и базой транзистора VT2
,
образуя цепь внутренней положительной обратной связи (рис. 1.б.в). Действительно, из рис. l.в видно, что коллекторный ток Ik1
транзистора VT
1
одновременно является базовым током Iб
2
,
отпирающим тран­зистор VT
2
,
а коллекторный ток Ik2
последнего-базовым током I
б
1
,
отпирающим трамзистор VT
1
,
т. е. база каждого транзистора питается коллек­торным током другого транзистора.

2. Вольт-амперные характеристики .диодных и триодных тиристоров

Режим работы динисторов и тринисторов хорошо иллюстрируется их 'статическими вольт-амперными характеристиками, из которых можно получить представление об основных параметрах этих приборов. На рис. 5,а приведена типовая вольт-амперная характеристика динистора. Здесь по горизонтальной оси .отложено напряжение и
между его анодом и катодом (анодное напряжение), а по вертикальной-ток I, протекающий через прибор. Область характеристики при положительных анодных напряжениях образует прямую ветвь, а при отрицательных - обратную ветвь характеристики. На характеристике можно выде­лить четыре участка, обозначенные на рис. 5,a арабскими цифрами, каждый из которых соответствует особому состоянию четырехслойной полупроводниковой структуры.

Участок 1
характеристики соответствует закрытому состоянию (в прямом .направлении) динистора. На этом участке через динистор протекает небольшой ток Iзс -ток прибора в закрытом состоя­нии. В закрытом состоянии сопротивление промежутка анод-катод прибора велико и обратно пропорционально значению тока Iзс .
В пределах участка 1
увеличение анодного напряжения мало влияет на ток, пока не будет достигну­то напряжение (точка а
характеристики), при котором в четырехслойной по­лупроводниковой структуре наступает лавинообразный процесс нарастания тока, и динистор переключается в открытое состояние. Прямое напряжение, соответствующее точке а характеристики, называется напряжением переключения Uпри, а ток, протекающий при этом через прибор,-током переключения Iпри.

В процессе переключения динистора в открытое состояние незначительное увеличение тока сопровождается быстрым уменьшением напряжения на аноде прибора (участок 2), так как составляющие транзисторы переходят в режим насыщения (рис. l.б.в). Сопротивление динистора в пределах участка 2
стано­вится отрицательным.

Участок 3
вольт-амперной характеристики соответствует открытому состоя­нию прибора. В пределах этого участка все три р-п
перехода полупроводнико­вой структуры включены в прямом направлении и относительно малое напря­жение, приложенное к прибору, может создать большой ток Iос в открытом со­стоянии, который при данном напряжении источника питания практически оп­ределяется только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на от­крытом приборе-напряжение в открытом состоянии Uос,
как и у обычного диода, незначительно зависит от прямого тока. Что касается значения наи­большего постоянного тока, который может пропускать прибор в этом режиме, то, как обычно в полупроводниковых структурах, он определяется площадью

р-п
перехода и условиями охлаждения прибора.

Динистор сохраняет открытое состояние, пока прямой ток Iпр будет

больше
некоторого минимального значения-удерживающего тока Iуд (точка б
на характеристике). При снижении тока до значения Iпр <
Iуд динистор скач­ком возвратится в закрытое состояние.

Таким образом, динистор может находиться в одном из двух устойчивых состояний. Первое (участок 1)
характеризуется большим напряжением на при­боре (Uзс)
и незначительным током '(
I
зс),
протекающим через него, а второе (участок 3) -малым напряжением на приборе (
U
ос)
и большим током (
I
ос).
Рабочая точка на участке 2
вольт-ампердой характеристики находиться не мо* жет.

Участок 4
характеризует собой режим динистора, когда к его электродам приложено напряжение обратной полярности Uобр (плюс к катоду, минус к аноду) , - непроводящее состояние в обратном направлении. Режим полупроводникового прибора с четырехслойной структурой при подаче напряжения обратной полярности определяется запирающими свойства­ми р-п
перехода J1 (рис. 1.а). Таким образом, обратная ветвь вольт-амперной характеристики фактически определяет режим перехода J1,
включенного в об­ратном направлении, и имеет такой же вид, как и обратная ветвь характерис- тми обычного кремниевого диода. Обратный ток Iобр мал и примерно равен теку в закрытом состоянии. Если увеличивать (по абсолютному значению) 'напряжение Uoбp, то при некотором его значении Uпроб, называемым обрат­ным напряжением пробоя (точка а на участке 4), наступает пробой перехода I1,
который может привести к разрушению прибора. Поэтому пода­вать на полупроводниковые приборы с четырехслойной структурой даже на короткое время обратное напряжение, близкое к Uпроб , недопустимо. Наибольшее обратное напряжение, которое может выдерживать прибор, указывается в его паспортных данных и при эксплуатации не должно превышаться.

Рассмотрим теперь семейство статических вольт-амперных характеристик тринистора, изображенное на рис. 5,6.
Изменяемым параметром семейства явля­ется значение тока Iy
в цепи управляющего электрода.

Вольт-амперная характеристика при токе Iy=
0
,
по существу, представляет собой характеристику динистора и обладает всеми особенностями, рассмотрен­ными выше. При подаче управляющего тока и его последующем увеличении (
I
"'y>
I
''y>
I
'y>Q)
участки I
и 2
характеристики укорачиваются, а напряже­ние переключения снижается (U"прк<U'прк<Uпрк).
Каждая характеристика, соответствующая большему току Iy,
располагается внутри предшествующей. Наконец, при некотором значении управляющего тока I'"у
вольт-амперная на- рветеристика тринистора вообще «спрямляется» и становится подобной прямой ветви характеристики обычного кремниевого диода (рис 5,6).
Соответствующее эначение управляющего тока называется отпирающим током управления 1'"у=1у.от.
Следовательно, при подаче такого тока управления тринистор переключается из закрытого состоя­ния в открытое при любом значении прямого (анодного) напряжения, находя­щегося в пределах 0<
U
упр
<=U
зс.

Управляющий электрод тринистора выполняет роль своеобразного «под­жигающего» электрода (аналогично действию сетки в тиратроне). Причем уп­равляющее действие этого электрода проявляется лишь в момент включения тринистора: закрыть прибор или изменить значение тока, протекающего через открытый прибор, изменяя ток управления, невозможно. (Исключение составля­ет специальный тип приборов--запираемые тиристоры, которые открываются положительным, а закрываются отрицательным сигналами на управляющем элек­троде [2].)

Выключить открытый тринистор можно, как и динистор, только сделав пря­мой ток меньше значения удерживающего тока Iуд (рис. 5.б).

Способ открывания тринисторов током управляющего электрода имеет
существенные достоинства, так как позволяет коммутировать большие мощно- сти в нагрузке маломощным управляющим сигналом (коэффициент усиления по мощности составляет примерно 5X102
..2X103
).

Важной особенностью почти всех типов полупроводниковых приборов с че- тырехслойной структурой является их способность работать в импульсных ре­жимах с токами, значительно превышающими допустимые постоянные токи в
открытом состоянии. Так, например, динисторы КН102 при постоянном токе не более 0.2А

допускают импульсный ток до 10 А, тринисторы типов КУ203 и КУ216 способны пропускать импульсные токи до 100 А при допустимом посто­янном токе 5 А и т. д.

Включение триодных тиристоров постоянным и импульсным токами.

На рис. показаны от­пирающий сигнал (ток iу), длительность фронта которого для простоты . при­нята равной нулю, и кривая нара­стания прямого тока, на которой отмечены две точки, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 установившегося зна­чения тока Iпр.

Время, необходимое для того, чтобы ток тринистора достиг уровня 0,1 уста­новившегося значения, называется в р е м е н е м з а д е р ж к и п о управля- ющему электроду tу.зд. Временной интервал между уровнями 0,1 и 0,9 установившегося значения тока называ­ется в р е м е н е м н а р а с т а н и я п р я м о г о т о к а tпр.
За точкой 0,9 I
пр
ток растет значительно медленнее, это-время распространения тока на всю проводящую площадь перехода. Уровни, по которым отсчитываются указанные интервалы, показаны на рис.

Время включения по управляющему электроду тринистора t у.вкл, которое приводится в справочных данных:

t у.вкл=t у.зд+t нр

Обычно
t у.зд в несколько раз больше t нр

и практически определяет время t у.вкл .

В течение времени задержки t у.зд во внутренней р-области накапливаете минимальный заряд, достаточный для развития лавинооблазного процесса на­растания тока через структуру. В этом интервале времени через тринистор про- ходит небольшой ток, в основном определяемый током управляющего электро­да (16). Процесс включения среднего перехода I2 (рис. 1.а) только развивает­ся, и, если в течение промежутка времени t у.зд снять управляющий сигнал, три- нистор возвратится в закрытое состояние. Время задержки в некоторых преде­лах зависит от тока управления Iy:
возрастает при уменьшении тока Iу и не­сколько сокращается при увеличении тока до значения импульсного отпираю­щего тока Iу.от.и. При токах Iу >
Iу.от.и задержка t у.зд практически не меняется.

В конце интервала времени t у.зд прямой ток достигает значения тока удер- экания, и в полупроводниковой структуре начинает развиваться лавинообразный процесс нарастания тока.. При больших токах управления, имеющих фронт с крутизной несколько ампер в микросекунду, зона начальной проводимости среднего пере­хода увеличивается. Скорость распространения процесса включения в среднем (коллекторном) переходе зависит от конструкции управляющего электрода структуры и составляет примерно 1 ... 10 мм/мкс.

Время включения по управляющему электроду t у.вкл у маломощных три- нисторов составляет 1 ...2 мкс, у приборов средней мощности доходит до 10мкс. Приборы, специально предназначенные для импульсного режима работы, имеют меньшее значение t у.вкл . Например, у тринисторов КУ104 оно не превышает 0,3 мкс, а у тринисторов КУ216 0,15 мкс.

Для уверенного отпирания тринистора от источника постоянного тока зна­чения управляющего тока Iу и управляющего напряжения Uу
выбираются из условий

Iу>=Iу.от

Uу>=Uу.от

Iу Uу <= Ру

где Iу.от - постоянный отпирающий ток управления: Uу.от - постоянное отпи­рающее напряжение управления; Ру
- допустимая средняя мощность, рассеи­ваемая на управляющем электроде.

В цепях постоянного тока тринисторы могут отпираться различными спосо- бами. Конкретный способ управления во многом зависит от функций устройст­ва. Один из наиболее простых способов, при котором источник анодного пита­ния Uпит одновременно используется и для получения необходимого отпираю­щего тока в цепи управляющего электрода, иллюстрируется схемами на рис.

В схеме рис. 9а тринистор включается сразу при подаче анодного пи­тания, если суммарное сопротивление анодной нагрузки и резистора R1
обес­точивает ток управляющего электрода

I
у=
U
пит
/(R
н+
R1)>=I
у
.
от.

После открывания прибора напряжение на аноде снижается до значения Uос,
все напряжение источника питания практически оказывается приложенным к нагтрузке и в цепи управляющего электрода начинает протекать незначительный ток, равный Iу=Uпит/R1.

Для отпирания тринистора в устройстве, показанном на рис. 9,6, необходи­мо кратковременно нажать кнопку S1.
Если при этом значение тока Iу, прете-

кающего в цепи управления, удовлетворяет приведущему условию , то тринистор пере­ключится в открытое состояние. Обычно для надежного включения достаточно через цепь управляющего электрода пропустить ток

Iу=(1…1,1)Iу.от,
для че­го сопротивление резистора R1
(рис. 9,6), ограничивающего ток управляющего электрода, рассчитывается по формуле

R1
= (0,9 ... 1) Uпит
/I
у
.
от (1)

Для схемы рис. 9.в рассчитамное по формуле (1) сопротивление резистора Я, должно быть уменьшено на значение сопротивления анодной нагрузки Rн.

Резистор R2 (рис. 9,6) обеспечивает гальваническую связь управляющего электрода с катодом, что увеличивает устойчивость работы тринистора в жду­щем режиме (особенно при повышенной температуре окружающей среды). Ре­комендуемое сопротивление этого резистора указывается в справочных данных некоторых типов тринисторов. Обычно у маломощных приборов оно составляет несколько сотен ом, а у приборов средней мощности-примерно 50...100 Ом.

В схеме рис. 9.в тринистор открывается и через нагрузку начинает про­ходить ток при размыкании выключателя .S1. Такой способ отпирания тринистора менее экономичен, чем два предыдущих, поскольку от источника питания по­стоянно потребляется ток, равный Uпит/R1; при закрытом приборе он протекает через замкнутые контакты S
1
,
а при размыкании выключателя-через цепь уп­равляющий электрод-катод тринистора. Сопротивление резистора R
1
рассчи­тывается по формуле (1).

Широкое распространение получили импульсные способы управления три- нисторами. которые являются наиболее экономичными и позволяют фиксировать момент включения прибора с высокой точностью. Фактически схема рис. 9.б также иллюстрирует импульсный способ отпирания-длительность управляю­щего импульса равна времени, пока замкнуты контакты кнопки S
1
.

На рис. приведена схема устройства, выполняющего функции дверного кодового замка, которая иллюстрирует многочисленные возможности практиче­ского использования выключателей на тринисторах с кнопочным управлением.

Основу замка составляет переключатель на трех тринисторах VS
1
-VS
3
,
соединенных последовательно. В анодную цепь тринистора VS
3
включена об­мотка электромагнита YA
1
,
сердечник которого служит запором для двери. Це­почка последовательно соединенных тринисторов может быть переключена в проводящее состояние только при отпирании каждого из них в определенной последовательности: первым должен быть открыт тринистор VS
1
,
вторым – VS
2
и, наконец, - VS
3
.

Открываются тринисторы с помощью кнопок, оправляющие электроды три- нисторов могут быть подсоединены к контактам любых трех кнопок S
0
-S
9
пульта, установленного на стене с наружной стороны двери. При показанном

на схеме соединении управляющих электродов тринисторов с кнопками кодом замка является число 430, и поэтому первой должна быть нажата кнопка .S4, затем-кнопка S3 и последней-кнопка S
0
.
Сопротивления резисторов R1
и R2
обеспечивают выполнение условия Iпр>Iуд, поэтому после включения тринисторов VS1
и VS2
при кратковременном нажатии кнопок S4
и S3
соответственно эта приборы остаются в проводящем состоянии. После нажатия кнопки S0
включа­ется тринистор VS3,
напряжение источника питания Uпит через замкнутые кон­такты выключателя SA1
и кнопки S10
подается на обмотку электромагнита YA1,
при этом одновременно загорается сигнальная лампа HL1.
Электромагнит втя­гивает сердечник и таким образом открывает замок двери. При открывании двери контакты выключателя SA1
размыкаются и разрывают цепь питания, тринисторы вновь выключаются, и после закрывания двери устройство возращается в исходное состояние .

Тринистор VS4
служит для того, чтобы исключить возможность открыть замок подбором кода. Контакты кнопок, не использованных в коде, соединены между собой и подключены к управляющему электроду тринистора VS4.
Ес­ли при попытке подобрать код будет нажата любая из этих кнопок, то тринистор VS4
откроется и замкнет цепь управления тринисторов VS1-VS3,
и тогда ни один из них уже невозможно будет включить. Сопротивление резис­тора R6 рассчитывается по формуле Uпит/R6>Iуд поэтому тринистор VS4
по­сле отключения остается в проводящем состоянии. Такой же результат будет и при одновременном нажатии всех кнопок, так как тринистор VS4
откроется раньше, чем три последовательно соединенных тринистора VS1-VS3.
Полезно обратить внимание на то, что этому обстоятельству способствует также и боль­шее значение управляющего тока прибора VS4
по сравнению с тринисторами VS1-VS3.
Чтобы устройство возвратить в исходное состояние после включения тринистора VS4,
следует нажать кнопку S10
«Вызов», контакты которой раз­рывают цепь питания тринистора VS4,
и последний закрывается. Одновременно замыкающие контакты этой кнопки включают звонок HA1
звуковой сигнализа­ции. Кстати, этой кнопкой можно пользоваться просто как кнопкой звонка, ес­ли ход замка не известен.

С помощью кнопки S11
замок можно открыть дистанционно из помещения. При нажатии этой кнопки тринисторы VS1-VS3
замыкаются накоротко и на­пряжение питания подается на обмотку электромагнита YA1.
Кнопку S11
сле­дует держать нажатой до тех пор, пока дверь не будет открыта.

Для изменения кода замка провода, идущие от управляющих электродов тринисторов VS1-VS3,
подсоединяют к зажимам 0...9
в соответствии с кодо­вым числом; остальные зажимы соединяют между собой и подключают к уп­равляющему электроду тринистора VS4.