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"пркIуд, 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.
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]