54. Тиристоры (динисторы, тринисторы, симисторы) (устройство, параметры, обозначение, конструкции, применения).

Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ).

У всех тиристоров на вольтамперной характеристике присутствует участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры в основном производят по технологии диффузии.

Основные параметры тиристоров:

Амплитуда повторяющегося импульсного напряжения, которое прикладывают к закрытому тиристору, B.

Длительность включения, т.е. такой отрезок времени, за который тиристор переходит в открытое состояние под действием импульса тока, протекающего по управляющему электроду, мс.

Критическая скорость нарастания напряжения на закрытом тиристоре, т.е. значение такой максимальной скорости нарастания напряжения, которое не приведёт к отпиранию тиристора, dU / dt.

Напряжение включения, т.е. такое напряжение, приложенное к динистору, при котором он переходит в открытое состояние, В.

Напряжение переключения, т.е. приложенное к тиристору напряжение во время переключения, В.

Неповторяющийся ударный ток тиристора в открытом состоянии, т.е. предельно допустимый ток через открытый тиристор, который не вызовет выход компонента из строя при кратковременном воздействии, по завершении которого сила тока станет много меньше, А.

Постоянный обратный ток, протекающий по выводам анод-катод тиристора в закрытом состоянии, мА.Предельно допустимая амплитуда импульсов тока, протекающего через выводы анод-катод открытого тиристора, А.

Предельно допустимый постоянный ток через выводы анод-катод открытого тиристора, А.

Ток запирания, т.е. такой ток, протекающий по управляющему электроду, который инициирует переход тиристора из открытого состояния в закрытое состояние, А.

Ток удержания, т.е. минимальный ток такой силы, под действием которого тиристор не переходит в закрытое состояние, А.

Динистор

Динистором, или, по-другому, диодным тиристором, называют переключательный компонент с двумя выводами, который переходит в открытое состояние при превышении определённого напряжения, которое прикладывают между его выводами. Динисторы содержат три электронно-дырочных перехода. Схематичное изображение структуры динистора дано на рисунке.

Вывод от внешней зоны n2 называют катодом, а от зоны p1 – анодом. Зоны n1 и p2 носят название баз динистора. Переход между зонами p1, n1 и p2, n2 именуют эмиттерным, а между зонами n1 и p2 – коллекторным переходом.

Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.

 обозначение на схемах симмитричный динистор

Тринистор

Тринистором, или, иначе, триодным тиристором, называют переключательный компонент с тремя электронно-дырочными переходами, и тремя выводами – анодом, катодом и управляющим электродом. Тринисторы обладают аналогичной динисторам структурой, а отличие состоит в наличии управляющего электрода – дополнительного вывода, подключённого к одной из баз. Если через управляющий электрод тринистора пропустить отпирающий ток, то тринистор перейдёт в открытое состояние. В зависимости от того, к какой именно из баз будет подсоединён управляющий электрод, можно организовать включение тринистора при приложении отпирающего напряжения между управляющим электродом и либо анодом, либо катодом.

Вольтамперная характеристика тринистора похожа на вольтамперную характеристику динистора. Однако отпирание тринистора обычно происходит при существенно более низком прямом напряжении, чем необходимо динистору, и к открыванию тринисторной структуры приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода, тем при более низком прямом напряжении тринистор перейдёт в открытое состояние, что отражено на вольтамперной характеристике тринистора, изображённой на рисунке.

Катодный управляющий элемент, анодный. Симмитричный тринистор.

Тринисторы широко применяют в регуляторах мощности, контакторах, ключевых преобразователях и инверторах и пр. Некоторое ограничение на внедрение тринисторов накладывает их частичная управляемость.

Симистор

Симисторы, в отличие от обычных тиристоров, проводят ток анод-катод при протекании тока по управляющему электроду, как в прямом направлении, так и в обратном. В результате этого их вольтамперная характеристика симметрична, что отражено на рисунке.

обозначение на схемах

Таким образом, на вольтамперной характеристике каждого симистора присутствуют два участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Структура симистора содержит пять слоёв, что отражено на рисунке

Симисторы нашли широкое применение в устройствах регулирования скорости вращения электродвигателей, в системах освещения, в электронагревателях, в преобразовательных установках.

БИЛЕТ 15.

48. Основные свойтва, характеристики и типы тиринисторов. Динисторы и тринисторы.

Тиристор – это полупроводниковый прибор, который изготавливается на основе монокристаллического полупроводника, имеющего три (и более) p-n-перехода. Тиристор характеризуются наличием двух устойчивых состояний:

• закрытый – полупроводник находится в состоянии низкой проводимости, ток практически не протекает

• открытый – полупроводник в состоянии высокой проводимости, ток проходит через элемент фактически без ограничений

По сути, тиристор – электрический силовой управляемый ключ (правда, его управляемость не является стопроцентной). В технической литературе встречается и другое название – однооперационный тиристор, ведь управляющий сигнал может только перевести тиристор в открытое (рабочее) состояние. Чтобы выключить тиристор, необходимо принять особые меры, направленные на уменьшение прямого тока до минимума (нуля).

Структура тиристора – это последовательность четырех, соединенных последовательно, слоев p и, соответственно, n типа, образующих структуру р-n-р-n:

• крайняя область, на которую поступает положительный (+) полюс питания – анод, р – типа

• другая крайняя область, к которой прикладывается отрицательное (-) напряжение, катод, – >n типа

• управляющий электрод (конструкционно может быть предусмотрено размещение до 2 электродов) присоединяется к внутренним слоям.

Вот так схематично выглядит принцип действия тиристора:

Параметры тиристоров

Для численного описания характеристик тиристора используются следующие параметры:

• Uвкл (напряжение включения) – напряжение, при котором происходит переход тиристора в открытое состояние

• Uo6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение – значение напряжения, при котором происходит электрический пробой. Для большинства тиристоров справедливо равенство Uo6p.max. = Uвкл

• максимально допустимое значение тока

• среднее значение тока за период

• Unp — значение прямого падения напряжения при открытом тиристоре, колеблется в пределах 0,5 — 1В

• обратный максимальный ток – ток, появляющийся при приложении обратного напряжения, за счет движения неосновных носителей

• ток удержания – значение анодного тока, при котором происходит закрытие тиристора

• максимальная мощность

• время отключения – время, необходимое для закрывания тиристора

• предельная скорость, с которой происходит нарастание анодного тока

Тиристоры: основные типы

Сегодня разработано большое количество тиристоров, отличающихся процессами управления, быстродействием, величиной и направлением током. При этом можно выделить наиболее востребованные типы тиристоров:

• тиристор-диод – эквивалент тиристора, имеющего встречно-параллельное включение с диодом

• динистор (диодный тиристор) – подробно рассмотрен выше, имеет всего два электрода, управляющий электрод отсутствует

• запираемый тиристор

• симистор (симметричный тиристор) – эквивалент двух встречно-параллельно подключенных тиристоров

• инвесторный тиристор – отличается высоким быстродействием, время включения составляет от 5 до 50 мкс

• фоторизистор – роль управляющего электрода выполняет фотоэлемент

Динистором, или, по-другому, диодным тиристором, называют переключательный компонент с двумя выводами, который переходит в открытое состояние при превышении определённого напряжения, которое прикладывают между его выводами. Динисторы содержат три электронно-дырочных перехода. Схематичное изображение структуры динистора дано на рис. 7.1.

Вывод от внешней зоны n₂ называют катодом, а от зоны p₁ – анодом. Зоны n₁ и p₂ носят название баз динистора. Переход между зонами p₁, n₁ и p₂, n₂ именуют эмиттерным, а между зонами n₁ и p₂ – коллекторным переходом.

Тринистором, или, иначе, триодным тиристором, называют переключательный компонент с тремя электронно-дырочными переходами, и тремя выводами – анодом, катодом и управляющим электродом. Тринисторы обладают аналогичной динисторам структурой, а отличие состоит в наличии управляющего электрода – дополнительного вывода, подключённого к одной из баз. Если через управляющий электрод тринистора пропустить отпирающий ток, то тринистор перейдёт в открытое состояние. В зависимости от того, к какой именно из баз будет подсоединён управляющий электрод, можно организовать включение тринистора при приложении отпирающего напряжения между управляющим электродом и либо анодом, либо катодом. Вольтамперная характеристика тринистора похожа на вольтамперную характеристику динистора. Однако отпирание тринистора обычно происходит при существенно более низком прямом напряжении, чем необходимо динистору, и к открыванию тринисторной структуры приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода, тем при более низком прямом напряжении тринистор перейдёт в открытое состояние, что отражено на вольтамперной характеристике тринистора, изображённой на рис. 7.3.

На рисунке обозначено:

I – участок, на котором тринистор открыт;

II – участки отрицательного сопротивления и пробоя коллекторного перехода;

III – участок запертого состояния тринистора в прямом включении;

IV – участок обратного включения динистора.

6.3.      Тринисторы

Тринистор отличается от динистора наличием третье­го вывода от базовой области. Это позволяет путем пода­чи на него напряжения управлять напряжением включе­ния. Поэтому тринисторы в отличие от динисторов иногда называют управляемыми переключателями.

Управляющий электрод (УЭ) может быть подведен к любой из баз тринистора. При выводе от р-базы тринистор называют управляемым по катоду (рис. 6.6, а). Если вывод сделан от n-базы, то тринистор называют управляе­мым по аноду (рис. 6.6, б). Внешне это выразится лишь в выборе нужной полярности источника напряжения управ­ляющего электрода (рис 6.7, а, б).

Увеличение тока в цепи управляющего электрода  (рис. 6.7, в) сопровождается ростом коэф­фициента передачи тока  соответствующего эмиттера. Увеличение коэффициента  приводит к тому, что ра­венство  выполняется при меньшем значе­нии анодного напряжения, и напряжение включения  тринистора уменьшается.

Ток и напряжение цепи управления малы, а ток в анод­ной цепи может достигать сотен ампер при напряжениях источника питания от нескольких десятков до нескольких тысяч вольт. Поэтому коэффициент усиления по мощности у тринисторов достигает порядка 10⁴…10⁵.

Из рассмотренных тиристоров тринисторы получили наи­большее практическое применение. Они используются в импульсных схемах, в связи, радиолокации, автоматике, в мощных выпрямителях и инверторах, в устройствах управ­ления электродвигателями и т. д.

Рассмотрим тиристорную схему управления мощностью в цепи перемен­ного тока (рис. 6.8). В этой схеме тиристор включен последо­вательно с активным сопротивлением R в цепь переменно­го тока, напряжение источника питания которого (U) не пре­вышает максимально допустимое напряжение тиристора как в пря­мом, так и в обратном направлении.

Так как тиристор при отсутствии управляющего сигнала закрыт, ток i при поло­жительной полуволне напряжения вплоть до момента вре­мени t₁ (рис. 6.8, б) равен нулю. В этот момент времени подается уп­равляющий сигнал, и тиристор отпирается. После этого ток в течение нескольких микросекунд достигает значения  (если пренебречь падением напряжения на тиристоре из-за его малости) и течет вплоть до окончания пря­мой полуволны напряжения. Здесь он обрывается, как только становится меньше тока выключения (удержания) .

В течение обратной полуволны напряжения тиристор находится в закрытом состоянии (i = 0) и лишь при последующей прямой полуволне напряжения в момент вре­мени t₂ снова открывается. Изменяя моменты отпирания тиристора, можно плавно регулировать мощность, выделяющуюся в сопротивлении нагрузки. Этот способ использования тиристора называет­ся фазовым управлением.

Управляющий ток может иметь форму короткого им­пульса. Он должен протекать лишь до тех пор, пока ти­ристор не переключится в проводящее состояние и меха­низм внутреннего усиления не сможет поддерживать его в этом состоянии. Управляющий ток, иначе говоря, играет роль разрешающего сигнала, приводящего указанный ме­ханизм в действие. В этом и заключается основное преимущество тири­стора при переключении тока по сравнению с транзистором при использовании их в качестве ключевых элементов.

Управляющий сигнал на транзистор должен подаваться в течение всего этапа протекания тока. Это вызывает боль­шие потери мощности в цепи управления, что, естественно, крайне нежелательно. Однако наибольшее техническое значение имеют значи­тельные переключаемые мощности, которые могут обеспе­чить тиристоры. Совр
еменные мощные тиристоры достиг­ли мегаваттных областей. Для транзисторов эта граница лежит в пределах нескольких киловатт. Различие обуслов­лено, прежде всего, тем, что в тиристорах можно осущест­влять основной контакт на большей поверхности, чем в транзисторах.

устройство, принцип действия, характеристики и параметры.

Тиристоры, имеющие три и четыре вывода, называются триодными или тетродными.

Триодный тиристор (тринистор) отличается от динисторов наличием внешнего вывода от одной из баз, с помощью которого можно управлять включением тиристора .

В триодном тиристоре, имеющем управляющий электрод от одной из базовых областей, уровень инжекции через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличивать путём подачи положительного по отношению к катоду напряжения на управляющий электрод. Поэтому триодный тиристор можно переключить из закрытого состояния в открытое даже при небольших анодных напряжениях . Переключение триодного тиристора с помощью прямого напряжения на управляющем электроде или тока через этот электрод можно представить как переход транзисторной n-p-n-структуры в режим насыщения при большом токе базы. При этом коллекторный переход транзисторной структуры (он же и коллекторный пере-ход тиристора) смещается в прямом направлении. На-пряжение включения зависит от управляющего тока.

Параметры теристоров. Основными параметрами тиристоров являются: напряжение и ток включения Uвкл, Iвкл, ток выключения (удержания) Iвыкл (Iуд), максимально допустимый ток в открытом состоянии Iпр.макс, время задержки tзд, включения tвкл., и выключения tвыкл, максимально допустимая скорость нарастания прямого напряжения (du/dt)max, максимально допустимая скорость нарастания прямого тока (dI/dt)мах и др.

55.Симисторы (Симметричные тиристоры): устройство, принцип действия, характеристики и параметры.

Симметричный тиристор – это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обрат-ном направлении.

Структура симметричного тиристора состоит из пяти областей с чередующимся типом электропроводности, которые образуют четыре p-n- перехода. Крайние переходы зашунтированы объёмными сопротивлениями прилегающих областей p-типа (рис. 6.5, а). Вольтамперные характеристики симистора приведены на рис. 6.5, б.

Так как обратный ток невелик через p-n- переходы, смещённые

в обратном направлении, рассеиваемая мощность в иристоре значительно меньше при закрытом состоянии и обратном напряжжения.

Исходными материалами для тиристоров являются кремний, а также арсенидгаллия, имеющие большую ширину запрещённой зоны. Тиристоры, изготовленные на основе широкозонных полупроводников, имеют большее значение максимальной рабочей температуры, а следовательно, и максимально допустимой плотности тока в открытом состоянии, кроме того, напряжение про-боя у них выше, что позволяет делать тиристоры с большими значениями на-пряжения включения и максимально допустимым обратным напряжением .

Площадь p-n-переходов рассчитывают исходя из максимально допустимой плотности тока в статическом режиме через открытый тиристор 200 2смА. Максимально допустимые токи в открытом состоянии для разных тиристоров имеют значения от 40 мA до 1000 А. Напряжение в открытом состоянии не превосходит 2 В. Время включения тиристора определяется скоростью перераспределения объёмных зарядов в базах и переходах. За счёт влияния ёмкостей перехода напряжение включения при импульсном режиме оказывается ниже, чем в статическом. Скорость переключения определяется как и в транзисторах, накоплением и рассасыванием зарядов в базах и ёмкостях электронно-дырочных переходов. По быстродействию тиристоры уступают транзисторам.

Тиристоры отличаются высокой надёжностью, долговечностью и высокой экономичностью.

Достоинством тиристора является свойство памяти. При переключении в проводящее состояние он может оставаться в этом состоянии до тех пор, пока ток через него не станет меньше тока включения.

Тиристоры широко применяются в радиолокации, устройствах радиосвязи, автоматике как приборы с отрицательным сопротивлением, управляемые ключи, пороговые элементы, преобразователи энергии, триггеры. По сравнению с биполярными транзисторами они могут обеспечить большой коэффициент по току включения, иметь большой ток и одновременно высокое напряжение, что важно для получения хороших характеристик мощных устройств, позволяют получить высокий КПД преобразования энергии.

Диодные тиристоры в настоящее время имеют ограниченное применение.

Мощные высоковольтные и инверторные тиристорные блоки позволяют получить мощность в нагрузке до 100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до 1000 А.

Разработаны также полевые тиристоры, которые работают при более высоких температурах, чем обычные тиристоры. Они используются в быстродействующих схемах, требующих малого времени включения и выключения.

Симметричный тринистор (TRIAC, триак)

Добавлено 13 октября 2018 в 21:04

Сохранить или поделиться

SCR тиристоры являются однонаправленными (односторонними) относительно тока устройствами, что делает их полезными для управления только постоянным током. Если объединить два SCR тиристора параллельно друг другу, но в противоположных направлениях, как были объединены два динистора (диода Шокли), чтобы сформировать симметричный динистор (DIAC), мы получим новое устройство, известное как симметричный тринистор, TRIAC (триак) (рисунок ниже).

Симметричный тринистор (TRIAC, триак)Эквивалентная схема на базе SCR тиристоров и условное обозначение симметричного тринистора (TRIAC тиристора)

Поскольку отдельные SCR тиристоры более гибки для использования в современных системах управления, они чаще встречаются в схемах, таких как драйверы двигателей; симметричные тринисторы (TRIAC) обычно встречаются в простых, маломощных приложениях, таких как бытовые диммерные коммутаторы. На рисунке ниже показана простая схема регулировки яркости лампы вместе с фазосдвигающей резисторно-конденсаторной цепью, необходимой для срабатывания после пика.

Управление питанием с использованием фазы на основе симметричного тринистора (TRIAC)

Симметричные тринисторы (TRIAC) известны тем, что они отпираются несимметрично. Это означает, что они обычно не срабатывают при одном и том же уровне напряжения управляющего электрода как для одной полярности, так и для другой. Вообще говоря, это нежелательно, так как несимметричное срабатывание приводит к формированию формы сигнала тока с множеством гармонических частот. Формы сигналов, симметричные выше и ниже их средних осевых линий, состоят только из гармоник с нечетными номерами. С другой стороны, несимметричные формы сигналов содержат четные гармоники (которые могут сопровождаться или нет гармониками с нечетными номерами).

В интересах уменьшения общего содержания гармоник в системах питания, чем меньше и менее разнообразны гармоники, тем лучше, – еще одна причина, почему для сложных, высокомощных схемах управления предпочитают отдельные SCR тиристоры, а не симметричные тринисторы (TRIAC). Одним из способов получения симметричной формы сигнала тока через TRIAC является использование устройства, внешнего по отношению к симметричному тринистору, для выбора момента выдачи переключающего импульса. Симметричный динистор, помещенный последовательно с управляющим электродом, прекрасно справляется с этой задачей (рисунок ниже).

Симметричный динистор (DIAC) улучшает симметричность управления

Напряжения переключения симметричного динистора (DIAC) имеют тенденцию быть гораздо более симметричными (для одной полярности такое же, как для другой), чем пороги напряжения переключения симметричного тринистора (TRIAC). Поскольку симметричный динистор (DIAC) предотвращает любой ток управляющего электрода до тех пор, пока переключающее напряжение не достигнет определенного, повторяемого уровня в любом направлении, точка отпирания симметричного тринистора (TRIAC) в одном полупериоде и в следующем имеет тенденцию быть более постоянной, а форма сигнала – более симметричной выше и ниже относительно его осевой линии.

Практически все характеристики и параметры SCR тиристоров одинаково применимы и симметричным тринисторам (TRIAC), за исключением того, что TRIAC, конечно, является двунаправленным (может проводить ток в обоих направлениях). Об этом устройстве больше нечего рассказывать, кроме важной оговорки относительно обозначений его выводов.

Из эквивалентной схемы, показанной ранее, можно подумать, что основные выводы 1 и 2 являются взаимозаменяемыми. Это не так! Хотя полезно представлять, что симметричный тринистор TRIAC состоит из двух тринисторов (SCR тиристоров), соединенных вместе, он фактически построен из одного куска полупроводникового материала, легированного и разделенного на слои соответствующим образом. Фактические рабочие характеристики могут несколько отличаться от характеристик эквивалентной модели.

Это становится наиболее очевидным, противопоставляя две простые схемы, из которых одна работает, а другая – нет. Следующие две схемы представляют собой варианты схемы диммера лампы, показанной ранее, в которой для упрощения удалены фазосдвигающий конденсатор и симметричный динистор (DIAC). Хотя в результирующей схеме отсутствует возможность тонкой настройки управления ее более сложной версии (с конденсатором и DIAC), она работает (рисунок ниже).

Схема с соединенными управляющим электродом и основным выводом 2 работает

Предположим, мы должны были поменять местами два основных вывода симметричного тринистора (TRIAC). Согласно эквивалентной принципиальной схеме, показанной в этой статье ранее, обмен местами не должен иметь никакого значения. Эта схема должна работать (рисунок ниже).

Схема с соединенными управляющим электродом и основным выводом 1 не работает

Однако если эта схема будет собрана, выяснится, что она не работает! На нагрузку не будет подаваться питание, симметричный тринистор TRIAC не будет отпираться вообще, независимо от того, насколько низкое или высокое значение сопротивления установлено на резисторе управления. Ключом к успешному запуску симметричного тринистора TRIAC является то, что управляющий электрод получает свой переключающий ток со стороны основного вывода 2 (основной вывод на противоположной стороне условного обозначения TRIAC от вывода управляющего электрода) в схеме. Идентификация выводов ОВ₁ и ОВ₂ должна выполняться по модели детали через техническое описание или справочник.

Резюме

• Симметричный тринистор TRIAC действует так же, как два SCR тиристора, подключенных друг к другу в противоположных направлениях для двунаправленной работы (с переменным током).
• Управление на симметричном тринисторе TRIAC чаще встречается в простых схемах с малой мощностью, а не в сложных схемах высокой мощности. В больших схемах управления питанием, как правило, предпочитают несколько SCR тиристоров.
• При использовании для управления питанием нагрузки переменным током симметричные тринисторы TRIAC часто сопровождаются симметричными динисторами DIAC, подключенными последовательно с их управляющими электродами. Симметричный динистор DIAC помогает симметричному тринистору TRIAC отпираться более симметрично (более одинаково в обеих полярностях).
• Основные выводы 1 и 2 у симметричного тринистора TRIAC не являются взаимозаменяемыми.
• Для успешного запуска симметричного тринистора TRIAC ток управляющего электрода должен поступать со стороны основного вывода 2 (ОВ₂) в схеме!

Оригинал статьи:

Теги

SCR / тринистор (кремниевый управляемый выпрямитель)Симистор / TRIAC / триак (симметричный тринистор)ТиристорУчебникЭлектроника

Сохранить или поделиться

Динистор — это… Что такое Динистор?

Обозначение на схемах

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой р-n-p-n-типа, обладающий в прямом направлении двумя устойчивыми состояниями — состоянием низкой проводимости (тиристор заперт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). В обратном направлении тиристор обладает только запирающими свойствами. Т.е тиристор — это управляемый диод. Тиристоры подразделяются на тринисторы, динисторы и симисторы. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор: либо воздействие напряжением (током), либо светом (фототиристор). Тиристор имеет нелинейную разрывную вольтамперную характеристику (ВАХ).

Устройство тиристора

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

Основная схема тиристорной структуры представлена на рис. 1. Она представляет собой четырёхполюсный p-n-p-n прибор, содержащий три последовательно соединённых p-n перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n прибор может иметь два управляющих электрода (базы), присоединённых к внутренним слоям. Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором (или динистором). Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (или просто тиристором).

Вольт-амперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

ВАХ тиристора (с управляющими электродами или без них) приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

• Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.
• В точке 1 происходит включение тиристора.
• Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
• Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).
• В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток I_h.
• Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.
• Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

Режимы работы тиристора

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

1. Лавинный пробой.
2. Прокол обеднённой области.

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис. 3). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины W_n1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше W_n1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).

Режим прямого запирания

Рис. 4. Двухтранзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов и соотношение токов в p-n-p транзисторе.

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V_BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используем двухтранзисторную модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 4 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом J1, и электронов, инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера I_E, коллектора I_C и базы I_B и статическим коэффициентом усиления по току α₁ p-n-p транзистора также приведена на рис. 4, где I_Со— обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток I_g втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен I_B1 = (1 — α₁)I_A — I_Co1. Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α₂ равен I_C2 = α₂I_K + I_Co2.

Приравняв I_B1 и I_C2, получим (1 — α₁)I_A — I_Co1 = α₂I_K + I_Co2. Так как I_K = I_A + I_g, то

Рис. 5. Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояние рановесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости.

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α₁ + α₂ < 1, ток I_A мал. (Коэффициенты α1 и α2 сами зависят от I_A и обычно растут с увеличением тока) Если α1 + α2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: V_AK = V₁ + V₂ + V₃. По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 5, в), и падение напряжения _VAK = (_V1 — |V₂| + _V3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p⁺-i-n⁺)-диоду…

Отличие динистора от тринистора

Принципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если включение динистора происходит при повышении напряжения между анодом и катодом, то в тринисторе для этого используют подачу импульса тока определённой длительности и величины на управляющий электрод при положительной разности потенциалов между анодом и катодом. Тринисторы являются наиболее распространёнными приборами из «тиристорного» семейства.

Выключение тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения I_h, либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом. В настоящее время разработан целый класс запираемых тиристоров, которые переходят в закрытое состояние после подачи на управляющий электрод напряжения отрицательной полярности.

Характеристики тиристоров

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10⁹ А/сек, напряжения — 10⁹ В/сек, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; кпд достигает 99 %.

Применение

Ссылки

См. также

тринистор — это… Что такое тринистор?

тринистор — trinistorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. trinistor; triode thyristor vok. Thyristortriode, f; Trinistor, m rus. тринистор, m; триодный тиристор, m pranc. thyristor triode, f; trinistor, m …   Fizikos terminų žodynas

Тринистор — …   Википедия

однооперационный тринистор — atgaline kryptimi nelaidus trinistorius statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. reverse blocking triode thyristor vok. rückwärts sperrende Thyristortriode, f rus. однооперационный тринистор, m; однооперационный триодный тиристор, m; …   Radioelektronikos terminų žodynas

Тиристор — Обозначение на схемах Тиристор  полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p n переходами и имеющий два устой …   Википедия

тиристор — полупроводниковый прибор на монокристалле с многослойной структурой (типа p – n – p – n) с тремя или более электронно дырочными переходами; обладает свойствами управляемого электрического вентиля. Обычно тиристор имеет три вывода: два из них… …   Энциклопедия техники

запираемый триодный тиристор — запираемый тринистор — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы запираемый тринистор EN gate activated… …   Справочник технического переводчика

триодный тиристор — тринистор Тиристор, имеющий три вывода. [ГОСТ 15133 77] Тематики полупроводниковые приборы Синонимы тринистор EN triode thyristor DE Thyristordiode FR thyristor triode …   Справочник технического переводчика

Анод — Анод (др. греч. ἄνοδος  движение вверх) электрод некоторого прибора, присоединённый к положительному полюсу источника питания. Электрический потенциал анода положителен по отношению к потенциалу катода. Содержание 1 Анод в электрохимии …   Википедия

Катод — Медный катод гальванического элемента Катод (от греч. κάθοδος …   Википедия

ВАХ — Пример ВАХ для диода. Вольт амперная характеристика (ВАХ) график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольт амперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Чаще всего рассматривают …   Википедия

Электроника (наука) — Электроника раздел электротехники, наука об использовании электрических устройств, которые работают на основе управления потоками электронов или других заряженных частиц в таких устройствах, как электронные лампы или полупроводниковые приборы. В… …   Википедия