Реферат: Тиристоры

Устройство, принцип работы, обозначения диодных итриодных тиристоров .

Приборы с четырехслойнойструктурой  р-п-р-п  представляют  собой один из видов многочисленногосемейства полупроводниковых приборов, свой­ства которых определяются наличием втолще полупроводниковой пластины смежных слоев с различными типамипроводимости. Основу такого прибора со­ставляет кремниевая пластина, имеющаячетырехслойную структуру, в которой чередуются слои с дырочной р иэлектронной nпроводимостями (рис. l.a)  Эти четыре слоя образуют три р-п перехода J1,J2, J3. Выводыв приборах с че- тырехслойной структурой делаются от двух крайних областей (р иn), а в боль­шинстве приборов — иот внутренней области р.

/>
Крайнюю область р структуры,к которой подключается положительный полюс источника питания, принято называтьанодом  A , крайнюю область n, к которойподключается отрицательный полюс этого источника,-катодом К, а вывод отвнутренней области р-управляющим электродом УЭ. Естественно, что дляполупроводникового прибора такие определения носят ус­ловный характер, однакоони получили широкое распространение по аналогии с тиратронами и ими удобнопользоваться при описании схем с этими приборами.

Согласно ГОСТ 15133-77 всепереключающие полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми состояниями,имеющие три или более р-п перехода, на

Рис… Схематическое устройство полупроводниковогоприбора с четырехслой- ной структурой (а), представление его в видедвухтранзисторной схемы (б, в)

зываются тиристорами. Приборы сдвумя выводами (анод и катод) назы­ваются диодными тиристорами или динисторами,а приборы с тремя выводами (анод, катод, управляющий электрод) — т р и о д н ым и  — тристорами или тринисторами.

Полупроводниковый прибор счетырехслойной структурой может быть мо­делирован комбинацией двух обычныхтранзисторов с различными типами про­водимости (рис. 1.б.в); VT1со структурой p-n-pi и VT2со структурой п-р-п. У транзистораVT1переход J1 является эмиттерным, а переход J2 коллекторным, у транзистора УТ2эмиттерным служит переход J3, а коллекторным J2, таким образом, оба транзистораимеют общий коллекторный переход J2(рис. 1.б). Крайние области четырехслойной полупроводниковой структурыявляются эмит­терами, а внутренние-базами и коллекторами составляющихтранзисторов VT1и VT2.

База и коллектортранзистора 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 Ik1транзистора VT1одновременно является базовымтоком Iб2, отпирающим тран­зистор VT2, а коллекторный ток  Ik2 последнего-базовым током  Iб1, отпирающимтрамзистор VT1, т. е.база каждого транзистора питается коллек­торным током другого транзистора.

2. Вольт-амперные характеристики.диодных и триодныхтиристоров

Режим работы динисторов итринисторов хорошо иллюстрируется их 'статическими вольт-ампернымихарактеристиками, из которых можно получить представление об основныхпараметрах этих приборов. На рис. 5, а приведена типовая вольт-ампернаяхарактеристика динистора. Здесь по горизонтальной оси.отложено напряжение имежду его анодом и катодом (анодное напряжение), а по вертикальной-ток I,протекающий через прибор. Область характеристики при положительных анодныхнапряжениях образует прямую ветвь, а при отрицательных — обратную ветвьхарактеристики. На характеристике можно выде­лить четыре участка, обозначенныена рис. 5,a арабскимицифрами, каждый из  которых соответствует особомусостоянию четырехслойной полупроводниковой структуры.

Участок1 характеристики соответствует закрытому состоянию (в прямом.направлении) динистора. На этом участке через динистор протекает небольшой токIзс -ток прибора в закрытом состоя­нии.В закрытом состоянии сопротивление промежутка анод-катод прибора велико иобратно пропорционально значению тока Iзс . Впределах участка 1 увеличение анодного напряжения мало влияет на ток,пока не будет достигну­то напряжение (точка а характеристики), прикотором в четырехслойной по­лупроводниковой структуре наступает лавинообразныйпроцесс нарастания тока, и динистор переключается в открытое состояние. Прямоенапряжение, соответствующее точке а характеристики, называется напряжениемпереключения Uпри, а ток,протекающий при этом через прибор,-током переключения Iпри.

В процессе переключениядинистора в открытое состояние незначительное увеличение тока сопровождаетсябыстрым уменьшением напряжения на аноде прибора (участок 2), так каксоставляющие транзисторы переходят в режим насыщения (рис. l.б.в).Сопротивление динистора в пределах участка 2 стано­вится отрицательным.

Участок 3 вольт-ампернойхарактеристики соответствует открытому состоя­нию прибора. В пределах этогоучастка все три р-п перехода полупроводнико­вой структуры включены впрямом направлении и относительно малое напря­жение, приложенное к прибору,может создать большой ток Iосв открытом со­стоянии, который при данном напряжении источникапитания практически оп­ределяется только сопротивлением внешней цепи. Падениенапряжения на от­крытом приборе-напряжение в открытом состоянии Uос, как и у обычного диода,незначительно зависит от прямого тока. Что касается значения наи­большегопостоянного тока, который может пропускать прибор в этом режиме, то, как обычнов полупроводниковых структурах, он определяется площадью

 р-п перехода и условиямиохлаждения прибора.

Динистор сохраняет открытоесостояние, пока прямой ток Iпрбудет

больше некоторого минимального значения-удерживающего тока Iуд(точка б нахарактеристике). При снижении тока до значения Iпр< Iуд  динистор скач­ком возвратится взакрытое состояние.

Таким образом, динистор можетнаходиться в одном из двух устойчивых состояний. Первое (участок 1) характеризуетсябольшим 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-ампердойхарактеристики находиться не мо* жет.

/>
Участок 4 характеризуетсобой режим динистора, когда к его электродам приложено напряжение обратнойполярности Uобр(плюск катоду, минус к аноду), — непроводящее состояние в обратном направлении.Режим полупроводникового прибора с четырехслойной структурой при подаченапряжения обратной полярности определяется запирающими свойства­ми р-п переходаJ1(рис. 1.а). Таким образом,обратная ветвь вольт-амперной характеристики фактически определяет режимперехода J1, включенного в об­ратномнаправлении, и имеет такой же вид, как и обратная ветвь характерис- тмиобычного кремниевого диода. Обратный ток Iобрмал и примерно равен теку в закрытомсостоянии. Если увеличивать (по абсолютному значению) 'напряжение Uoбp, то принекотором его значении Uпроб,  называемым обрат­ным напряжениемпробоя (точка а на участке 4), наступает пробой перехода I1, который может привести кразрушению прибора. Поэтому пода­вать на полупроводниковые приборы счетырехслойной структурой даже на короткое время обратное напряжение, близкое кUпроб, недопустимо. Наибольшееобратное напряжение, которое может выдерживать прибор, указывается в егопаспортных данных и при эксплуатации не должно превышаться.

Рассмотрим теперь семействостатических вольт-амперных характеристик тринистора, изображенное на рис. 5,6.Изменяемым параметром семейства явля­ется значение тока Iy в цепи управляющего электрода.

Вольт-амперная характеристикапри токе Iy=, по существу, представляет собойхарактеристику 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 характеристикиукорачиваются, а напряже­ние переключения снижается (U«прк<U'прк<Uпрк).Каждая характеристика, соответствующая большему току Iy, располагается внутрипредшествующей. Наконец, при некотором значении управляющего тока I'»у вольт-амперная на- рветеристикатринистора вообще «спрямляется» и становится подобной прямой ветвихарактеристики обычного кремниевого диода (рис 5,6). Соответствующееэначение управляющего тока называется отпирающим током управления 1'«у=1у.от.Следовательно, при подаче такого тока управления тринистор переключается иззакрытого состоя­ния в открытое при любом значении прямого (анодного)напряжения, находя­щегося в пределах 0<Uупр<=Uзс.

Управляющий электрод тринисторавыполняет роль своеобразного «под­жигающего» электрода (аналогично действиюсетки в тиратроне). Причем уп­равляющее действие этого электрода проявляетсялишь 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, которыеоткрываются положительным, а закрываются отрицательным сигналами на управляющемэлек­троде [2].)

Выключить открытый тринисторможно, как и динистор, только сделав пря­мой ток меньше значения удерживающеготока Iуд(рис. 5.б).

Способ открывания тринисторовтоком управляющего электрода имеет существенные достоинства, так какпозволяет коммутировать большие мощно- сти в нагрузке маломощным управляющимсигналом (коэффициент усиления по мощности составляет примерно 5X102..2X103).

Важной особенностью почти всехтипов полупроводниковых приборов с че- тырехслойной структурой является их способность работать в импульсных ре­жимахс токами, значительно превышающими допустимые постоянные токи в открытомсостоянии. Так, например, динисторы КН102 при постоянном токе не более 0.2Адопускают импульсный ток до 10 А, тринисторы типов КУ203 и КУ216 способныпропускать импульсные токи до 100 А при допустимом посто­янном токе 5 А и т. д.

На рис.  показаны от­пирающий сигнал (ток iу), длительность фронта которогодля простоты. при­нята равной нулю, и кривая нара­стания прямого тока, накоторой отмечены две точки, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 установившегосязна­чения тока Iпр.

Время, необходимое для того,чтобы ток тринистора достиг уровня 0,1 уста­новившегося значения, называется вр е м е н е м  з а д е р ж к и  п о  управля- ющему  электроду tу.зд. Временной интервал междууровнями 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 значительномедленнее, это-время распространения тока на всю проводящую площадь перехода.Уровни, по которым отсчитываются указанные интервалы, показаны на рис. 

Время включения по управляющемуэлектроду тринистора  t у.вкл, которое приводится в справочных данных:

t  у.вкл=t у.зд+t нр

Обычноt 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-областинакапливаете минимальный заряд, достаточный для развития лавинооблазногопроцесса на­растания тока через структуру. В этом интервале времени черезтринистор про- ходит небольшой ток, в основном определяемый током управляющегоэлектро­да (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 приувеличении 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 достигаетзначения тока удер- экания, и в полупроводниковой структуре начинаетразвиваться лавинообразный процесс нарастания тока… При больших токахуправления, имеющих фронт с крутизной несколько ампер в микросекунду, зонаначальной проводимости среднего пере­хода увеличивается. Скоростьраспространения процесса включения в среднем (коллекторном) переходе зависит отконструкции управляющего электрода структуры и составляет примерно 1… 10мм/мкс.

Время включения по управляющемуэлектроду t у.вкл у маломощных три- нисторовсоставляет 1 ...2 мкс, у приборов средней мощности доходит до 10мкс. Приборы,специально предназначенные для импульсного режима работы, имеют меньшеезначение t у.вкл. Например, у тринисторов КУ104 оно непревышает 0,3 мкс, а у тринисторов КУ216  0,15 мкс.

Для уверенного отпираниятринистора 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 напряжениеуправления; Ру  - допустимая средняя мощность, рассеи­ваемая науправляющем электроде.

В цепях постоянного токатринисторы могут отпираться различными спосо- бами. Конкретный способуправления во многом зависит от функций устройст­ва. Один из наиболее простыхспособов, при котором источник анодного пита­ния Uпит одновременно используется и для получениянеобходимого отпираю­щего тока в цепи управляющего электрода, иллюстрируетсясхемами на рис.

/>

     В схеме рис. 9а  тринистор  включается сразупри подаче анодного пи­тания, если суммарное сопротивление анодной нагрузки ирезистора R1 обес­точивает ток управляющего электрода

Iу=Uпит/(Rн+R1)>=Iу.от.

После открывания приборанапряжение на аноде снижается до значения Uос, все напряжение источникапитания практически оказывается приложенным к нагтрузке и в цепи управляющегоэлектрода начинает протекать незначительный ток, равный  Iу=Uпит/R1.

Для отпирания тринистора вустройстве, показанном на рис. 9,6, необходи­мо кратковременно нажать кнопку S1. Если при этом значение тока Iу, прете-

кающего в цепи управления, удовлетворяет приведущемуусловию, то тринистор пере­ключится в открытое состояние. Обычно для надежноговключения 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 поформуле

R1 = (0,9… 1) Uпит/Iу.от (1)

Для схемы рис. 9.в рассчитамноепо формуле (1) сопротивление резистора Я, должно быть уменьшено на значениесопротивления анодной нагрузки Rн.

Резистор R2 (рис. 9,6) обеспечиваетгальваническую связь управляющего электрода с катодом, что увеличивает устойчивостьработы тринистора в жду­щем режиме (особенно при повышенной температуреокружающей среды). Ре­комендуемое сопротивление этого резистора указывается всправочных данных некоторых типов тринисторов. Обычно у маломощных приборов оносоставляет несколько сотен ом, а у приборов средней мощности-примерно 50...100 Ом.

В схеме рис. 9.в тринистороткрывается 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 онпротекает через замкнутые контакты S1, а при размыканиивыключателя-через цепь уп­равляющий электрод-катод тринистора. Сопротивлениерезистора R1рассчи­тывается по формуле (1).

/>
Широкое распространениеполучили импульсные способы управления три- нисторами. которые являютсянаиболее экономичными и позволяют фиксировать момент включения прибора свысокой точностью. Фактически схема рис. 9.б также иллюстрирует импульсныйспособ отпирания-длительность управляю­щего импульса равна времени, показамкнуты контакты кнопки S1 .

На рис.  приведена схемаустройства, выполняющего функции дверного кодового замка, которая иллюстрируетмногочисленные возможности практиче­ского использования выключателей натринисторах с кнопочным управлением.

Основу замка составляетпереключатель на трех тринисторах VS1-VS3, соединенных последовательно. Ванодную цепь тринистора VS3включена об­мотка электромагнита YA1, сердечник которого служитзапором для двери. Це­почка последовательно соединенных тринисторов может бытьпереключена в проводящее состояние только при отпирании каждого из них вопределенной последовательности: первым должен быть открыт тринистор VS1, вторым – VS2и, наконец, — VS3.

Открываются тринисторы с помощьюкнопок, оправляющие электроды три- нисторов могут быть подсоединены к контактамлюбых трех кнопок S-S9пульта,установленного на стене с наружной стороны двери. При показанном

на схеме соединении управляющихэлектродов тринисторов с кнопками кодом замка является число 430, и поэтомупервой должна быть нажата кнопка .S4, затем-кнопка S3 и последней-кнопка S. Сопротивления резисторов R1 и R2 обеспечивают выполнениеусловия Iпр>Iуд, поэтому после включениятринисторов VS1 и VS2 при кратковременном нажатии кнопок S4 иS3 соответственно эта приборы остаются в проводящем состоянии. Посленажатия кнопки S0 включа­ется тринистор VS3, напряжение источникапитания Uпит через замкнутые кон­такты выключателя SA1 и кнопки S10 подаетсяна обмотку электромагнита YA1, при этом одновременно загораетсясигнальная лампа HL1. Электромагнит втя­гивает сердечник и таким образомоткрывает замок двери. При открывании двери контакты выключателя SA1 размыкаютсяи разрывают цепь питания, тринисторы вновь выключаются, и после закрываниядвери устройство возращается в исходное состояние.

Тринистор VS4 служит длятого, чтобы исключить возможность открыть замок подбором кода. Контакты кнопок,не использованных в коде, соединены между собой и подключены к управляющемуэлектроду тринистора VS4. Ес­ли при попытке подобрать код будет нажаталюбая из этих кнопок, то тринистор VS4 откроется и замкнет цепьуправления тринисторов VS1-VS3, и тогда ни один из них уже невозможнобудет включить. Сопротивление резис­тора R6рассчитывается по формуле Uпит/R6>Iуд  поэтому тринистор VS4 по­сле отключения остается в проводящемсостоянии. Такой же результат будет и при одновременном нажатии всех кнопок,так как тринистор VS4 откроется раньше, чем три последовательно соединенныхтринистора VS1-VS3. Полезно обратить внимание на то, что этомуобстоятельству способствует также и боль­шее значение управляющего тока прибораVS4 по сравнению с тринисторами VS1-VS3. Чтобы устройствовозвратить в исходное состояние после включения тринистора VS4, следуетнажать кнопку S10 «Вызов», контакты которой раз­рывают цепь питаниятринистора VS4, и последний закрывается. Одновременно замыкающиеконтакты этой кнопки включают звонок HA1 звуковой сигнализа­ции. Кстати,этой кнопкой можно пользоваться просто как кнопкой звонка, ес­ли ход замка неизвестен.

С помощью кнопки S11 замокможно открыть дистанционно из помещения. При нажатии этой кнопки тринисторы VS1-VS3замыкаются накоротко и на­пряжение питания подается на обмоткуэлектромагнита YA1. Кнопку S11 сле­дует держать нажатой до техпор, пока дверь не будет открыта.

Для изменения кода замкапровода, идущие от управляющих электродов тринисторов VS1-VS3, подсоединяютк зажимам 0...9  в соответствии с кодо­вым числом; остальные зажимы соединяютмежду собой и подключают к уп­равляющему электроду тринистора VS4.