1.6 Перемикаючі прилади

1.6.1 Загальні відомості

Перемикаючими називають напівпровідникові прилади, вольтамперна характеристика яких має ділянку з негативним диференціальним опором і який використовується для перемикання.

До перемикаючих приладів відносять динистор, тиристор, симистор і одноперехідні транзистори. Умовне графічне позначення перемикаючих приладів зазначено в таблиці 1.13.

Тиристорами називають напівпровідникові прилади із трьома або більше переходами, у яких вольтамперна характеристика має ділянку з негативним диференціальним опором.

Симистором (симетричним тиристором) називають напівпровідниковий прилад, що дозволяє проводити струм в обох напрямках, вольтамперна характеристика якого при різних полярностях прикладеної напруги має однаковий вигляд.

Одноперехідний транзистор являє собою напівпровідниковий прилад з одним переходом, у якому модуляція опору напівпровідника викликала інжекцію носіїв заряду переходом.

Таблиця 1.13 – Умовне графічне позначення перемикаючих приладів.

Назва	Графічне позначення	Характеристики
1	2	3
Динистор
Тиристор керований по катоду по аноду
Симистор некерований

Продовження таблиці 1.13

1	2	3
Симистор керований
Одноперехідний транзистор (двухбазовий діод)		Uеб2
Двухопераційний тиристор

2. Фізичні явища та характеристика

Тиристори

Тиристори мають три електроди: анод (А), катод (К), керуючий (КЕ) (рис. 1.33).

КЕ

Рисунок 1.33 - Структурна схема тиристора

Найпростіші тиристори із двома виводами, анодом і катодом, називають динисторами. Умовно-графічне позначення динистора й тиристора наведені в таблиці 1.13. Тиристор являє собою чотиришарну структуру, що має два стани: станом високої провідності (тиристор відкритий) і стан низької провідності (тиристор закритий).

Переведення тиристора із закритого стану у відкрите в електричному колі видбувається зовнішньою дією на прилад. До числа факторів, які найбільше широко використовуються для включення тиристорів, відноситься керування напругою, струмом або світловим потоком (фоторезистори).

Основними типами є діодні й тріодні тиристори. У діодних тиристорах (динисторах) перехід приладу із закритого стану у відкрите пов'язаний з тим, що напруга між анодом і катодом досягає деякої граничної величини, що є параметром приладу. У тріодних тиристорах керування станом приладу відбувається по ланцюзі третього - керуючого електрода. По ланцюзі керуючого електрода при цьому можуть виконуватися одна або дві операції зміни стану тиристора. Залежно від цього розділяють одно- й двох операційні тиристори. В одноопераційних тиристорах по ланцюгу керуючого електрода можливо тільки відмикання тиристора. Із цією метою на керуючий електрод подається позитивний щодо катода імпульс напруги.

Запирання одноопераційного тиристора, а також динистора здійснюється по ланцюгу анода зміною полярності напруги анод - катод. Двопераційні тиристори допускають по ланцюзі керуючого електрода, як відмикання, так і запирання приладу. Для запирання на керуючий електрод подається негативний імпульс напруги.

Всі перемикаючі прилади виконують функцію безконтактного ключа, що володіє однобічною провідністю.

Аналіз принципу дії типів тиристорів проведемо в такий спосіб. Досить докладно розглянемо роботу одноопераційного тиристора (рис.1.34,б), як найпоширенішого , а для інших типів покажемо їхні особливості. Тиристор являє собою чотиришарну структуру (рис. 1.34,а). Резистор R служить для обмеження струму у відкритому стані тиристора. Верхній шар р називається емітером, тому перший зверху перехід називається емітерним. Другий перехід називається колекторним, а третій — емітерним. Другий і третій шар зверху називаються базовими областями, а нижній шар — емітером. Верхній вивід, до якого прямий струм тече із зовнішнього електричного кола, називається анодним (А), нижній вивід — катодним (К). При малій позитивній напрузі на аноді перший і третій переходи зміщуються в прямому напрямку, другий — у протилежному.

У зв'язку із цим напруга на приладі стає прикладеною практично до другого переходу, через який проходить струм . Представимо конструкцію тиристора у вигляді двох умовних транзисторів. Один транзистор структури, другий структури (рис. 1.34,б). Емітерним переходом для першого транзистора є перший перехід, а для другого — третій перехід. Другий перехід служить загальним колекторним переходом обох транзисторів. При цьому полярність напруг на переходах відповідає тій, яка потрібна для роботи обох транзисторів у підсилювальному режимі: емітерні переходи зміщені в прямому напрямку, колекторні — у зворотньому.

Рисунок 1.34 - Схема заміщення тиристора

З рис. 1.34, б,в помітно, що емітерні струми першого й другого транзистора рівні ; . Тому що колекторні струми транзисторів, у свою чергу, рівні ; та загальний струм, що протікає через тиристор можна виразити сумою струмів:

(1)

останній вираз можна спростити: , звідки:

.

(2)

Тиристор містить переходи, з яких перший і третій емітерні, а другий —- колекторний (рис. 1.34,б). Перший (емітерний) перехід входить до складу транзистора VT1, а третій (теж емітерний) — транзистора VT2. Колекторний перехід входить до складу обох транзисторів.

Зі збільшенням напруги на аноді тиристора відбувається збільшення струму через прилад, що супроводжується підвищенням коефіцієнтів і .

I_пр,мА

600

i_y>0

i_y=0

400

200

U_пр, В

U_зв

-500

500 1000

I_зв, мА

5

Рисунок 1.35 Розрахунок вольтамперної характеристики тиристора

Напрузі на переході (напруга включення) відповідає струм включення, при якому сума наближається до одиниці. Із цієї точки починається режим перемикання й на вольтамперній характеристиці починається ділянка з негативним диференціальним опором (ділянка А- В). У точці напруга й струм відповідають напрузі у відкритому стані тиристора й струму утримання у відкритому стані. У такому стані тиристор має дуже маленький опір, а його струм обмежується опором резистора.

При зворотній напрузі на тиристорі (мінус подається на анод, плюс — на катод) відбувається зсув середнього переходу в прямому напрямку, а двох крайніх переходів — у зворотному. Тому зворотний струм тиристора малий.

Описаний вище тиристор має два виводи анод і катод. Такий тиристор називається діодним тиристором або динистором. Крім анода й катода тиристор може мати третій вивод від однієї з баз. Додатковий висновок використовується для керування процесом включення. Якщо вивод з базової області першого переходу, то такий тиристор називається тріодним тиристором (тиристором) з керуванням по аноду. Якщо висновок з базової області третього переходу, то такий тиристор називається тріодним тиристором (тиристором) з керуванням по катоду. При струмі керування характеристика тріодного тиристора збігається з характеристикою діодного тиристора (рис. 1.35). При відмикання тиристора відбувається при менших напругах включення. У відкритий і закритий стан тиристор приводиться шляхом обмеженням струму анода . Це можна зробити шляхом зменшення зовнішньої напруги або введенням додаткового обмежувального опору в ланцюг анода.

Випускаються спеціальні типи тиристорів, у яких запирання тиристора відбувається через керуючий електрод

Вольтамперні характеристики двоопераційного тиристора такі ж, як і в одноопераційного. У двоопераційних тиристорів запирання відбувається не зміною полярності напруги анод — катод, а пропущенням через керуючий електрод імпульсного струму, з протилежного напрямку струму відмикання. При цьому використовується особливість внутрішнього позитивного зв'язку, що діє в приладі. При пропущенні зустрічного струму в ланцюзі керуючого електрода струм бази транзистора Т₂ зменшується, що приводить до зменшення всіх складових струмів тиристора, а як наслідок, до зниження анодного струму й запирання приладу. Двохопераційні тиристори випускаються на струми до 10 А.

За наявності ділянки з негативним диференціальним опором вольтамперної характеристики тиристори знаходять широке застосування в комутаційній апаратурі, керованих випрямлячах і інших приладах перетворювальної техніки. Роботу тиристора розглянемо на прикладі однопівперіодного керованого випрямляча (рисунок 1.36,а) Середнє значення випрямленої напруги залежить від кута включення тиристора імпульсами керованого сигналу. Часова діаграма роботи випрямляча наведена на рис. 1.36,б.

З часових діаграм видно, що чим менше кут включення тиристорів, тим буде більше середнє значення випрямної напруги.

У двопівперіодних випрямлячах застосовується зустрічно-паралельне включення двох тиристорів або застосовуються симистори.

О_у

Рисунок 1.36 - Схема (а) і часова діаграма (б) роботи керованого випрямляча

Одноперехідні транзистори

У деяких випадках цей прилад називають двобазовим діодом, тому що область, яка прилягає до одного з омічних контактів, відіграє роль бази стосовно переходу, а область, яка прилягає до іншого контакту, працює в самостійному керованому ланцюзі і являє собою іншу базу. Згідно схеми структури одноперехідного транзистора (рис. 1.37,а) приймається така термінологія: електрод від випрямного контакту — емітер (Е), електрод від нижнього контакту, що не випрямляє, — перша база (Б1) і електрод від верхнього контакту, що не випрямляє, — друга база (Б2).

Рисунок 1.37 - Структура одноперехідного транзистора

При напрузі (рис. 1.37) транзистор буде замкнений: — падіння напруги в обємі напівпровідника між областю і базою Б1 . При напрузі U_еб1=U_вкл=U₁ транзистор починає в нижню область (область бази Б1) інжектувати із емітерної області носії заряду, що рухаються, — дірки, тому електричний опір цієї області зменшується, що веде до зменшення величини напруги й, таким чином, до збільшення напруг на переході, що у свою чергу веде до збільшення інжекції дірок в області бази Б1. Виникає позитивний зворотний зв'язок. Це призводить до утворення ділянки з негативним диференціальним опором на вольтамперній характеристиці транзистора. Широке застосування одноперехідні транзистори знайшли в схемах генераторів імпульсів.

Контрольні питання.

До пункту 1.6.1

1. Дайте визначення перемикаючим приладам.

2. Наведіть умовне графічне позначення динистора.

3. Замалюйте ВАХ динистора.

4. Наведіть умовне графічне позначення тиристора керованого по катоду.

5. Наведіть умовне графічне позначення тиристора керованого по аноду.

6. Замалюйте ВАХ керованого тиристора.

7. Наведіть умовне графічне позначення симистора некерованого.

8. Замалюйте ВАХ симистора некерованого.

9. Наведіть умовне графічне позначення симистора керованого.

10. Замалюйте ВАХ симистора керованого.

11. Наведіть умовне графічне позначення одноперехідного транзистора.

12. Замалюйте ВАХ одноперехідного транзистора.

13. Наведіть умовне графічне позначення двухопераційного тиристора.

14. Замалюйте ВАХ одноперехідного двухопераційного тиристора.

До пункту 1.6.2

1. Дайте визначення тиристора.

2. Наведіть структурну схему тиристора.

3. Керування тиристорів по аноду й катоду.

4. Наведіть схему заміщення тиристора.

5. Застосування тиристорів.

6. Дайте визначення одноперехідного транзистора.