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 ус¬ловный 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) назы¬ваются 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 про¬водимости (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 эмит¬терами, 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 тран¬зистор VT2, а коллекторный ток Ik2 последнего-базовым током Iб1, отпирающим трамзистор VT1, т. е. база каждого транзистора питается коллек¬торным 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 выде¬лить 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 состоя¬нии. 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 достигну¬то напряжение (точка а характеристики), при котором в четырехслойной по¬лупроводниковой 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 свойства¬ми 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 пода¬вать 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 явля¬ется 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 напряже¬ние 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 состоя¬ния в открытое при любом значении прямого (анодного) напряжения, находя¬щегося в пределах 0<Uупр<=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 составля¬ет специальный тип приборов–запираемые тиристоры, которые открываются положительным, а закрываются отрицательным сигналами на управляющем элек¬троде [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 от¬пирающий сигнал (ток iу), длительность фронта которого для простоты . при¬нята равной нулю, и кривая нара¬стания прямого тока, на которой отмечены две точки, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 установившегося зна¬чения 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 называ¬ется 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 развивает¬ся, 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 пере¬хода 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 пи¬тания, если суммарное сопротивление анодной нагрузки и резистора R1 обес¬точивает 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 пере¬ключится в открытое состояние. Обычно для надежного включения достаточно через цепь управляющего электрода пропустить ток
Iу=(1…1,1)Iу.от, для че¬го 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 по-стоянно потребляется ток, равный Uпит/R1; при закрытом приборе он протекает через замкнутые контакты S1, а при размыкании выключателя-через цепь уп¬равляющий электрод-катод тринистора. Сопротивление резистора R1 рассчи¬тывается 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 управляю¬щего 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 включа¬ется тринистор VS3, напряжение источника питания Uпит через замкнутые кон¬такты выключателя SA1 и кнопки S10 подается на обмотку электромагнита YA1, при этом одновременно загорается сигнальная лампа HL1. Электромагнит втя¬гивает 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. Ес¬ли 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 резис¬тора R6 рассчитывается по формуле Uпит/R6>Iуд поэтому тринистор VS4 по¬сле 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 боль¬шее 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.