|
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, свой-
ства которых определяются наличием в толще полупроводниковой пластины
смежных слоев с различными типами проводимости. Основу такого прибора со-
ставляет 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 боль-
шинстве 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 мо-
делирован 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 коллекто-
ром 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 стано-
вится отрицательным.
Участок 3 вольт-амперной характеристики соответствует открытому состоя-
нию прибора. В пределах этого участка все три р-п перехода полупроводнико-
вой структуры включены в прямом направлении и относительно малое напря-
жение, приложенное к прибору, может создать большой ток Iос в открытом со-
стоянии, который при данном напряжении источника питания практически оп-
ределяется только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на от-
крытом приборе-напряжение в открытом состоянии Uос, как и у обычного
диода, незначительно зависит от прямого тока. Что касается значения наи-
большего 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 скач-
ком возвратится в закрытое состояние.
Таким образом, динистор может находиться в одном из двух устойчивых
состояний. Первое (участок 1) характеризуется большим напряжением на при-
боре (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 об-
ратном 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 обрат-
ным 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, рассмотрен-
ными 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"пркUпрк). 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=Uзс.
Управляющий электрод тринистора выполняет роль своеобразного «под-
жигающего» электрода (аналогично действию сетки в тиратроне). Причем уп-
равляющее 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 пря-
мой 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 ре-
жимах 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 посто-
янном 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 уста-
новившегося 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 на-
растания тока через структуру. В этом интервале времени через тринистор про-
ходит небольшой ток, в основном определяемый током управляющего электро-
да (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 преде-
лах зависит от тока управления Iy: возрастает при уменьшении тока Iу и не-
сколько сокращается при увеличении тока до значения импульсного отпираю-
щего 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 зна-
чения 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 отпи-
рающее напряжение управления; Ру - допустимая средняя мощность, рассеи-
ваемая на управляющем электроде.
В цепях постоянного тока тринисторы могут отпираться различными спосо-
бами. Конкретный способ управления во многом зависит от функций устройст-
ва. Один из наиболее простых способов, при котором источник анодного пита-
ния Uпит одновременно используется и для получения необходимого отпираю-
щего 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, необходи-
мо 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 жду-
щем режиме (особенно при повышенной температуре окружающей среды). Ре-
комендуемое 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 про-
ходить 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 практиче-
ского использования выключателей на тринисторах с кнопочным управлением.
Основу замка составляет переключатель на трех тринисторах VS1-VS3,
соединенных последовательно. В анодную цепь тринистора VS3 включена об-
мотка электромагнита YA1, сердечник которого служит запором для двери. Це-
почка 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. 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 раз-
рывают цепь питания тринистора VS4, и последний закрывается. Одновременно
замыкающие контакты этой кнопки включают звонок HA1 звуковой сигнализа-
ции. Кстати, этой кнопкой можно пользоваться просто как кнопкой звонка, ес-
ли ход замка не известен.
С помощью кнопки S11 замок можно открыть дистанционно из помещения.
При нажатии этой кнопки тринисторы VS1-VS3 замыкаются накоротко и на-
пряжение питания подается на обмотку электромагнита YA1. Кнопку S11 сле-
дует 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 кодо-
вым числом; остальные зажимы соединяют между собой и подключают к уп-
равляющему электроду тринистора VS4.
| |
