Тиристоры.

Полупроводниковые приборы с тремя p-nпереходами, имеющие участок на вольт-амперной характеристике с отрицательным сопротивлением, называюттиристоры. Двухэлектродные тиристоры называютдинисторами, а трехэлектродные –тринисторами.

П

Рис. 50. Четырехслойная структура тиристора и ее отображение двухтранзисторной схемой, изображенние динистора на принципиальных схемах.

ростейший тиристор (динистор) можно представить четырехслойной структурой изображенной на рис. 50.

К

Рис.51 ВАХ динистора.

ак видно из рисунка 50 данное устройство имеет четыре чередующихся слояp1-n1-p2-n2 и соответственно триp-nперехода П1-П2-П3. Если к устройству подключить источник напряжения как показано на рисунке то потечет токIв указанном направлении. При этом переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном. Таким образом, поучится как бы сочетание двух транзисторов в одном устройстве: одним транзистором является комбинация слоевp1-n1-p2, другим –n1-p2-n2, т.е. первый транзистор структурыp-n-p, а другой –n-p-n. Подобная замена динистора транзисторной схемой действительно обладает свойствами динистора и находит применение в практике. Слойp1 называют анодом динистора, слойn2 – катодом, соответственно слойn1иp2 – базами. При подаче ан динистор напряжения в указанной полярности коллекторный переход П2 смещен в обратном направлении, т.е. находятся в непроводящм состоянии. Достигнуть проводящего состояния возможно только если предположить, что в обратносмещенном переходе будет наступать явление пробоя. Обычно это лавинный обратимый пробой, и явление пробоя не доходит до своего конечного состояния, определяемого большим током коллектора ограниченным только внешними цепями. Подобное положение объясняется тем, что как только появляется ток пробоя коллекторного перехода сразу же появляется ток базы, т.е. транзисторы открываются и находятся в активном усилительном режиме, для которого характерноIк =*Iб. Следовательно возрастание тока базы приводит к возрастанию тока коллектора и уменьшению напряжения на коллекторном переходе. Этот процесс лавинообразен и приводит к тому, что напряжение на динисторе будет равно напряжению насыщенияUкнас, и транзисторы переходят в насыщенный режим, т.е. величина тока будет определяться только внешней цепью. Выключиться динистор может только при условии, что ток базы транзисторов стане равным нулю. Это возможно только если ток динистора станет равен нулю ( так как ток динистора и есть ток базы). Все рассмотренные особенности работы динистора находят отражение в его ВАХ, которая приведена на рисунке 51.

Указанная характеристика является характеристикой неуправляемого тиристора, т.е. динистора. Напряжение при котором происходит открывание тиристора называют напряжением переключения –U­_пер, ток соответствующий этому напряжению – ток переключения –I_пер. Если напряжение на динисторе больше напряжения переключения (произошло открывание динистора), то ток в цепи будет определяться только сопротивлением остальной части цепи. Если после включения динистора уменьшать напряжение, то будет уменьшаться и ток, и при достижении точкиI_осиU_ос (остаточные ток и напряжение) происходит выключение динистора. При подаче обратного напряжения, возможно, что его величина будет больше пробивного напряжение –U_пробтогда произойдет тепловой пробой и динистор станет неработоспособным. Таким образом, основными статическими параметрами динистора являются: напряжение переключения, остаточный ток и остаточное напряжение.

Если от слоя p2 сделать вывод, то получим четырехслойную и трехэлектродную конструкцию, которую называют управляемый динистор или тринистор. Слойp2 это база транзистора структурыn-p-n, и, следовательно подавая управляющий ток в базу можем открывать этот транзистор, т. е. открывать тринистор. Таким образом, создание дополнительного вывода приводит к появлению нового полупроводникового устройства – тринистора. На принципиальных электрических схемах тринистор изображают в соответствии с рис. 52. Как видно на рисунке это устройство имеет три электрода: А – анод, К – катод, уэ – управляющий электрод.

О

Рис.52. Тиристор

Рис. 1 Применение тиристора.

бычное применение тринистора состоит в том, что напряжение, подаваемое на нагрузку и последовательно с ней включенный тринистор меньше максимально допустимого напряжения на тринисторе. Такое положение приводит к тому, что открыться тринистор может только под воздействием тока, подаваемым в управляющий электрод. Если тринистор открыт и управляющий ток равен нулю, то закроется он только при условии, что ток тринистора равен нулю.

Н

Рис. 2 Применение тиристора.

Рис.53. Использование тиристора.

Рис. 54. Осциллограмма работы тиристорной схемы.

а рисунке 53 показан пример использования тринистора для управления током лампы накаливания. Силовая часть схемы состоит из последовательно включенных лампы накаливания и тринистора, подключенных к источнику однофазного переменного напряжения. Цепь управления состоит из последовательной схемы: резистор 10 кОм, динистор с напряжением переключения 100В и резистор 2 кОм. Точка соединения динистора и резистора 2 кОм подключена к управляющему электроду тринистора. Для анализа работы схемы подключен осциллограф: канал А подключен к источнику напряжения, канал В используется для снятия временной диаграммы тока тринистора. Для подачи на вход осциллографа сигнала пропорционального току в цепь тринистора включен преобразователь ток – напряжение Осциллограмма показана на рисунке 54.

При снятии осциллограмм использованы следующие масштабы: по времени – 5мС/дел, канал А – 100В/дел, канал В – 200мВ/дел.

Анализируя осциллограмму, приходим к выводу: открывание тринистора происходит в момент времени t1, т.е. когда напряжение достигает 100В, - выключение (моментt2) происходит тогда, когда ток проходящий по тринистору становится равным нулю. В положительном полу периоде при достижении напряжения величины 100В происходит открывание динистора. При этом ток, возникающий в цепи управляющего электрода тринистора открывает его. Величина управляющего тока может быть определена выражениемIупр = (Uвх –U­ост –Uупк)/10000. В этом выражении:Uвх – входное напряжение равное 100В,Uост – остаточное напряжение динистора, обычно равное нескольким вольтам,Uупк – напряжение на прямосмещенном переходе управляющий электрод – катод тринистора.

Мы рассмотрели только основные четырехслойные полупроводниковые устройства: динистор и тринистор. Однако в настоящее время электронная промышленность производит и другие четырехслойные устройства: симисторы и тринисторы с двойным управлением.

Симистор (симметричный тиристор) – тиристор, который имеет ВАХ симметричную относительно начала координат. На рисунке 55 приведена вольт-амперная характеристика симистора. Как видно из ВАХ симистор включается как при положительном напряжении на нем, так и при отрицательном напряжении. Если симистор управляемый, то открывание его происходит при наличии управляющего тока как при положительном, так и при отрицательном напряжении.

Обычно управление тиристором осуществляет его открытие, т.е. перевод в проводящее состояние. Однако сейчас имеются тиристоры с двойным управлении, не только на открывание, но и на закрывание. Такие тиристоры имеют два управляющих электрода.

На рисунке 56 показано изображение неуправляемого и управляемого симисторов на принципиальных электрических схемах.