Главная | Обратная связь

Будова, принцип дії та режими роботи тиристора

Загальні відомості

Тиристором називають електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з трьома або більше – переходами, ВАХ якого має ділянку негативного диферен­ціального опору і який використовують для перемикання. Назва тиристор походить від двох слів: thyra (гр.) – двері та (re) sistor (англ.) – опір. Залежно від кількості зовнішніх виводів розрізняють двохелектродний прилад – диністор, трьохелектродний – триністор і чотирьохелектродний – біністор. У двох останніх, крім анода і катода, є ще вхідні електроди (відповідно один у триністора і два у біністора).

Система позначень тиристорів (крім силових) складається з 6 елементів.

Перший елемент – буква або цифра, що означає матеріал виготовлення.

Другий елемент – буква, що визначає різновид тиристора: Н – діодні тиристори (диністори), У – тріодні тиристори (триністори).

Третій елемент – цифра, що визначає призначення тиристора згідно з таблицею 5.1.

Четвертий, п’ятий і шостий елементи аналогічні до відповідних елементів у позначеннях діодів і транзисторів.

Таблиця 5.1

Потужність	Диністор	Триністор
незапірний	запірний	симетричний
Малої потужності, 0,3 А
Середньої потужності, 0,3А 10 А

Умовні позначення тиристорів на схемах наведено на рис. 5.1. З точки зору застосування тиристор – це напівпровідниковий ключ, тобто прилад, основне призначення якого полягає в замиканні та розмиканні кола навантаження під дією зовнішніх сигналів.

Подібно до транзисторних ключів тиристор має два статичні стани – закритий, з високим внутрішнім опором, і відкритий, з малим опором. У кожному стані тиристор може перебувати як завгодно довго. Перехід від одного стану до іншого відбувається швидко (лавиноподібно) під дією короткочасного зовнішнього сигналу.

а) б) в) г)

Рисунок 5.1 – Умовні позначення тиристорів на електронних схемах: а) диністор; б) триністор з керуванням по катоду;

в) триністор з керуванням по аноду;

г) симетричний тиристор (симістор)

Диністорний режим

Структура диністора показана на рисунку 5.2 а.

а) б) в)

Рисунок 5.2 – Структура (а), транзисторна схема заміщення (б) та ВАХ тиристора у диністорному режимі (в)

На рисунку диністор увімкнено до кола разом із джере­лом напруги і навантаженням . Будемо вважати, що верхня p-область чотиришарової структури диністора з’єднана з електродом, що називається анодом, а нижня область з’єднана з катодом. Області тиристора називати­мемо (зверху донизу) p-емітер, n-база, p-база, n-емітер.

При прикладенні зовнішньої напруги мінусом до анода і плюсом до катода емітерні переходи ЕП1 та ЕП2 вмикаються у зворотному напрямі, і через прилад протікає малий зворотний струм двох послідовно з’єднаних – переходів (ділянка I на ВАХ рис. 5.2 в).

Якщо змінити полярність джерела напруги, то переходи ЕП1 та ЕП2 вмикаються у прямому напрямі, а середній, колекторний, перехід КП – у зворотному. Через емітерні переходи здійснюється інжекція дірок (через ЕП1) та електронів (через ЕП2) у відповідні бази. Майже вся зовнішня напруга спадає на великому опорі КП. Збільшення цієї напруги приводить до подальшого зменшення потенціальних бар’єрів ЕП1 та ЕП2 і збільшення інжекції через переходи. Дірки, інжектуючи через ЕП1, дифундують через n-базу, екстрагуються прискорювальним полем КП до області p-бази і накопичуються там, тому що подальша їх дифузія затримується гальмівним полем ЕП2. Аналогічне відбувається і з електронами, які інжектують через ЕП2 до p-бази. Таким чином, у p-базі накопичується надлишковий позитивний заряд, а в базі – надлишковий негативний заряд.

Процеси у тиристорі свідчать про появу внутрішнього позитивного зворотного зв’язку. Механізм його дії полягає у такому. Збільшення інжекції дірок до n-бази через ЕП1 приводить до накопичення цих дірок у p-базі. Зростання позитивного заряду p-бази приводить до подальшого прямого зміщення ЕП2 і збільшення інжекції електронів через нього. Це явище, у свою чергу, сприяє зростанню негативного заряду n-бази і додатковому прямому зміщенню ЕП1. Внаслідок цього інжекція дірок з p-емітера через ЕП1 ще більше зростає і т.д.

При прямих напругах < тиристор ще закритий, бо його опір – це фактично опір КП у зворотному вмиканні. Деяке зростання струму анода при збільшенні анодної напруги на ділянці II пояснюється збільшенням інжекції через переходи ЕП1 та ЕП2 при збільшенні на них прямих напруг, а також зменшенням потенціального бар’єра КП внаслідок накопичення надлишкового заряду в базах.

При анодній напрузі = різниця потенціалів між p- та n- базою за рахунок попереднього накопичення зарядів дорівнює величині зовнішньої напруги на КП. На КП у цьому разі діє нульова результуюча напруга, і перехід відкривається. Відбуваються різке зменшення внутрішнього опору тиристора і зростання анодного струму, що супроводжується зменшенням прямої напруги на приладі. Це падіння напруги дорівнює сумі падінь напруг на трьох p-n - переходах, увімкнених у прямому напрямі (приблизно 0,7 В), падіння напруги на n - базі (0,12 В) і падінь напруг на емітерах (приблизно 0,2 – 0,3 В). Таким чином, сумарне падіння напруги на ввімкненому диністорі становить приблизно 1 В.

Отже, процес відкривання (ввімкнення) тиристора полягає в різкому зменшенні опору за рахунок прямого ввімкнення КП, збільшенні струму через прилад одночасно зі зменшенням спаду напруги. Це приводить до формування на ВАХ диністора ділянки з негативним диференціальним опором (ділянка III на рисунку 5.2 в). Після закінчення про­цесу ввімкнення приладу робоча точка на ВАХ переходить на ділянку IV (рис. 5.2 в). Щоб унаслідок багаторазового зростання струму не відбулося руйнування кристалічної структури диністора, до кола послідовно з приладом і джерелом живлення вмикають навантаження. І тоді струм у колі з відкритим тиристором дорівнює

.

Диністор у відкритому стані (ділянка IV на ВАХ) перебуває доки, доки струм, що протікає через нього, підтримує у базах надлишкові заряди, які, у свою чергу, забезпечують відкритий стан КП. Зниження струму до величин приведе до того, що процес рекомбінації у базах почне відбуватися швидше, ніж процес накопичення, і КП знову ввімкнеться у зворотному напрямі.

Диністор може бути поданим у вигляді системи двох біполярних транзисторів p-n-p - та n-p-n – типів (рис. 5.2 б). На ділянці II ВАХ диністора (рис. 5.2 в) обидва транзистори перебувають у активному режимі. Збільшення зовнішньої напруги приводить до зростання емітерного струму p-n-p – транзистора, збільшення його колекторного струму, тобто зменшення його внутрішнього опору. Внаслідок цього зростає позитивний потенціал бази n-p-n - транзистора, що також збільшує емітерний і колекторний струми останнього і, отже, зменшує внутрішній опір n-p-n – транзистора. Тому на базі p-n-p – транзистора зростає негативний потенціал, і транзистор ще більше відкривається. У двотранзисторній схемі рис. 5.2 б, яка є схемою заміщення реального тиристора, діє, таким чином, позитивний зворотний зв’язок. При деякій зовнішній напрузі ( = ) обидва транзистори переходять у режим насичення, і опір схеми значно знижується.

Позначивши коефіцієнт передачі струмів цих транзисторів через та , одержимо, що через КП у стані зворотного ввімкнення протікає струм

= + + , (5.1)

де , , - струми , КП та відповідно.

Оскільки всі переходи тиристора з’єднані послідовно, то = = = . Тоді

= . (5.2)

Значення коефіцієнтів і , як бачимо, залежать від струмів емітера та (рис. 5.3).

Поки + <1, диністор перебуває у вимкненому стані (ділянка II на ВАХ ). При = сума + дорівнюватиме одиниці, і починається за фор­мулою (5.2) лавиноподібний процес збільшення струму .

Рисунок 5.3 – Залежності = , =

Лавинний, стрибкоподібний процес ввімкнення тирис­тора спричиняється дією позитивного зворотного зв’язку.

Величина напруги буде тим більша, чим меншими будуть початкові значення коефіцієнтів передач струмів емітера та . Для зменшення початкових значень цих коефіцієнтів ширину однієї з баз роблять значно більшою від дифузійної довжини носіїв заряду. Крім того, щоб забезпечити досить велике значення , один з емітерних переходів шунтується розподіленим опором бази (рис. 5.4).

Рисунок 5.4 – Диністор із зашунтованим емітерним переходом

У цьому випадку зменшення коефіцієнта передачі струму забезпечується таким чином. При малих напругах на тиристорі майже весь струм протікає через шунтуючий опір бази, обминаючи правий – перехід. У відкритому стані диністора опір переходу 3 малий, і струм проходитиме через цей перехід, обминаючи шунтуючий опір бази. При цьому величина різко зростає. Наявність більш сильної залежності коефіцієнта передачі від струму анода приводить до підвищення стабільності параметрів ВАХ диністора.

Триністорний режим

Триністор відрізняється від диністора наявністю третього виводу, з’єднаного з базовою областю. Це дозволяє керувати величиною напруги ввімкнення , змінюючи струм у колі керувального електрода.

Керувальний електрод може з’єднуватися з будь-якою базою тиристора (рис. 5.5 а, б).

Збільшуючи струм керування , можна збільшити коефіцієнт передачі струму відповідного емітера, це приводить до того, що рівність виконува­тиметься при меншій анодній напрузі, і ввімкнення тиристора відбуватиметься при меншому значенні (рис. 5.5 в). Фізично це означає, що накопичення надлиш­кових зарядів у базах структури відбуватиметься швидше, ніж у випадку диністора, тому що джерело напруги керування у колі будь-якої з баз прискорює інжекцію через відповідний ЕП.

а) б) в)

Рисунок 5.5 – Структура триністора: а) з керуванням по катоду; б) з керуванням по аноду; в) сім’я ВАХ триністора

Струм і напруга кола керування невеликі, струм у анодному колі може досягати одиниць амперів (у тиристорах середньої потужності) або десятків – сотень амперів (у силових тиристорах) при анодних напругах від десятків – сотень вольтів до тисяч вольтів. Тому триністори – це своєрідні підсилювачі потужності з коефіцієнтом підсилення .

Триністори серед інших тиристорних структур мають найбільше практичне застосування в електроніці. Для більш зручного керування тиристором керувальний електрод з’єднують з базою, що має меншу ширину, оскільки коефіцієнтом передачі струму емітера саме такої транзисторної структури (n-p-n – на рис. 5.5 а і p-n-p – на рис. 5.5 б) легше керувати, ніж коефіцієнтом передачі транзистора з товстою базою.

Симістори

Симетричний тиристор, або симістор, - це тиристор, який має практично однакові ВАХ при різних полярностях прикладеної напруги. Симістор являє собою багатошарову структуру - - - - - типу, що складається з п’яти напівпровідникових областей, типи провідності яких чергуються і утворюють чотири - переходи (рис. 5.6).

a) б) в)

Рисунок 5.6 – Структура (а, б) та ВАХ (в) симетричного тиристора

Якщо до такого тиристора прикласти напругу плюсом до області , а мінусом - до області (рис. 5.6 а), то перехід 1 ввімкнеться у зворотному напрямі, і струм, що протікає через нього, буде дуже малим. Робочою частиною у такому режимі буде - - - - структура, в якій проходи­тимуть процеси, характерні для диністора.

Якщо зовнішню напругу прикласти плюсом до області , а мінусом - до області , то в зворотному напрямі ввімкнеться перехід 4, і робочою частиною симістора буде диністор структури - - - (рис. 5.6 б).

Таким чином, симістор може бути поданий у вигляді двох тиристорів, увімкнених паралельно і назустріч один одному. ВАХ симістора показана на рис. 5.6 в.