1.1 Означення динистора

Вивчення тиристорів можна почати з приладу, званого динистором, також відомого як чотиришаровий діод (із структурою PNPN), або діод Шоклі, на ім'я його винахідника Уїльяма Шоклі (не плутати з діодом Шотки, двошаровим приладом метал-напівпровідник, відомим своєю високою швидкістю перемикання). Спрощеною ілюстрацією динистора може служити зображення чотиришарового напівпровідникового матеріалу із структурою

p-n-p-n.

Рисунок 1.1 - Динистор, або чотиришаровий діод [1]

На жаль, цей малюнок не дає ані найменшого уявлення про принципи роботи цього приладу. На наступному малюнку показаний альтернативний варіант зображення структури динистора.

Рисунок 1.2 - Транзисторний еквівалент динистора [1]

У подібному уявленні, динистор виглядає як два взаємозв'язані біполярні транзистори: один p-n-p -типу, а другий n-p-n -типу. При зображенні за допомогою стандартних символів, і з урахуванням концентрацій легуючої домішки не показаних не попередньому малюнку, діодний тиристор виглядає так.

Рисунок 1.3 - Динистор: напівпровідникові шари, еквівалентна схема

і умовне позначення [1]

1.2 Принцип роботи

З'єднуємо динистор з джерелом регульованої напруги і спостерігаємо, що відбудеться.

Рисунок 1.4 - Еквівалентна схема динистора,

на який подано живлення [1]

Якщо відсутня напруга, то струму, природно, теж не буде. На самому початку періоду збільшення напруга струм все ще буде відсутній, оскільки жоден з транзисторів не може бути відкритий: вони обидва знаходитимуться в режимі відсічення. Щоб зрозуміти чому це відбувається, необхідно пригадати, що потрібний для включення транзистора: струм на переході база-емітер. Як видно з малюнка, струм бази нижнього транзистора контролюється верхнім транзистором, а струм бази верхнього транзистора контролюється нижнім транзистором. Іншими словами, жоден з транзисторів не буде включений до тих пір, поки не включиться інший транзистор. Тобто ми потрапляємо в парадоксальну ситуацію, свого роду замкнуте коло.

Як же зробити так, щоб динистор проводив струм, коли складові його транзистори утримують один одного в стані відсічення? Відповідь на це питання можна знайти, якщо порівняти параметри реальних і ідеальних транзисторів. Ідеальний біполярний транзистор ніколи не проводитиме струм колектора за відсутності струму бази, в незалежності від величини напруги, що прикладається, між колектором і емітером. У реальних же транзисторах існує певна межа напруги колектор-емітер, яке вони можуть витримувати, до того як почнуть проводити. Якщо два реальні транзистори сполучено в діод Шоклі, то кожен з них проводитиме за наявності напруги між анодом і катодом, достатнього для того, щоб почав проводити один з транзисторів. Як тільки він відкриється і почне проводити, на другому транзисторі з'явиться струм бази, завдяки чому той включиться звичайним способом, і забезпечуватиме струм бази на іншому транзисторі. В результаті обидва транзистори знаходитимуться в стані насичення, і утримуватимуть один одного у включеному стані.

Отже, ми можемо змусити динистор включатися за наявності достатньої напруги між анодом і катодом. Як ми переконалися, один з транзисторів неминуче почне проводити, що викличе включення другого транзистора, що приведе до "замикання" обох транзисторів у включеному стані. Але як же нам тепер відключити транзистори, з яких складається динистор? Навіть якщо напруга буде понижена до рівня нижче за точку, при якій динистор починає проводити, він все ще буде включений, оскільки на обох транзисторах буде струм бази, що забезпечує постійну, керовану провідність. Відповідь полягає в тому, щоб знизити напругу до набагато нижчого рівня, при якому дуже слабкий струм не зможе підтримувати зсув, і один з транзистор перейде в стан відсічення, що приведе до відсутності струму бази на другому транзисторі.

Якщо побудувати графік описаних подій і скласти залежність струм/напруга, то буде очевидною наявність гістерезису. Спочатку постежимо за схемою в той момент, коли джерело постійного струму (батарея) встановлена на нуль вольт.

Рисунок 1.5 - Нульова напруга; нульовий струм [1]

Потім ми поступово збільшуватимемо напругу. Струм схеми все ще майже дорівнює нулю, оскільки ще не досягнута межа пробою для обох транзисторів.

Рисунок 1.6 - Незначна напруга; струм все ще рівний нулю [1]

Коли досягнуто напругу пробою одного з транзисторів, він почне проводити струм колектора, навіть якщо на нім ще відсутній струм бази. У звичайній ситуації це вивело би біполярний транзистор з ладу, проте p-n-p -переходи динистора здатні витримати подібний струм, подібно до того як стабілітрон здатний витримувати пробій у зворотному напрямі без руйнування приладу. У ілюстративних цілях допустимо, що нижній транзистор відкриється першим, що створить струм бази на верхньому транзисторі.

Верхній транзистор включиться, як тільки з'явиться струм бази. У зв'язку з цим нижній транзистор починає проводити звичайним способом, і обидва транзистори "замикаються" у включеному стані. Тепер в схемі встановиться повний струм.

Рисунок 1.7 - Тепер транзистори повністю відкриті [1]

Тут явно присутній додатний зворотний зв'язок. У разі пробою одного транзистора по всьому приладу починає текти струм. Цей струм можна розглядати як "вихідний" сигнал приладу. Як тільки встановився вихідний струм, він підтримуватиме обидва транзистори в стані насичення, забезпечуючи тим самим значний вихідний струм. Іншими словами, вихідний струм поступає по ланцюгу зворотного зв'язку на вхід (струм бази транзистора), завдяки чому обидва транзистори знаходяться у включеному стані, тобто динистор регенерує сам себе.

Коли два транзистори підтримують один одного в стані насичення у присутності значного струму бази, кожен з них проводитиме навіть в тому випадку, якщо прикладена напруга буде знижена нижче за рівень пробою. Ефект додатного зворотного зв'язку полягає в підтримці обох транзисторів в стані насичення, не дивлячись на відсутність вхідного впливу. Спочатку, для того, щоб відкрився один з транзисторів і з'явився струм бази другого транзистора була потрібна достатньо висока напруга.

Рисунок 1.8 - Струм схеми зберігається

навіть при зменшенні напруги [1]

Якщо напруга від джерела постійного струму буде зменшена до дуже низького рівня, то динистор досягне тієї точки, коли обидва транзистори не зможуть підтримувати один одного в стані насичення. У міру зменшення струму колектора, транзистор також зменшує струм бази другого транзистора, що приводить до зменшення струму бази першого транзистора. Цей цикл продовжується з високою швидкістю до тих пір, поки обидва транзистори не перейдуть в стан відсічення.

Рисунок 1.9 - При сильному падінні напруги

обидва транзистори будуть відключені [1]

Тут також діє ефект додатного зворотного зв'язку: той факт, що зменшення струму одного транзистора веде до зменшення струму другого транзистора, що наводить до ще більшого падіння струму на першому транзисторі, указує на наявність додатного зворотного зв'язку між виходом (керованим струмом) і входом (струмом, що управляє, на базі транзисторів).

Підсумкова крива на графіці є прикладом класичної кривої гістерезису: у міру збільшення або зменшення вхідного сигналу (напруга), форма зростаючої частини кривої виходу (струму) не збігається з формою низхідної частини.

Рисунок 1.10 - Крива гістерезису [1]

Простіше кажучи, динистор має тенденцію до того, щоб залишатися у включеному стані ‑ після того, як транзистори починають проводити, або вимкненому ‑ після того, як транзистори переходять в стан відсічення. Тобто у динисторів немає яких-небудь "проміжних станів" : як і всі тиристори він може бути або включений, або виключений.