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); VT1 со структурой p-n-pi и VT2 со структурой п-р-п. У транзистора VT1 переход J1 является эмиттерным а переход J2 коллекторным у транзистора УТ2 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 VT1 и VT2.

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 VT1 одновременно является базовым током Iб2 отпирающим тран­зистор VT2 а коллекторный ток  Ik2 последнего-базовым током  Iб1 отпирающим трамзистор VT1 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 '(Iзс) протекающим через него а второе (участок 3) -малым напряжением на приборе (Uос) и большим током (Iос). 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<Uупр<=Uзс.

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.

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 Iпр 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

Iу=Uпит/(Rн+R1)>=Iу.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/Iу.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 S1 а при размыкании выключателя-через цепь уп­равляющий электрод-катод тринистора. Сопротивление резистора R1 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 S1 .

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 VS1-VS3 соединенных последовательно. В анодную цепь тринистора VS3 включена об­мотка электромагнита YA1 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 VS1 вторым – VS2 и наконец - VS3 .

Открываются тринисторы с помощью кнопок оправляющие электроды три- нисторов могут быть подсоединены к контактам любых трех кнопок S0-S9 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 S0. 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.