Урок посвящен интересным п/п приборам - тиристорам. Тиристор - это общее название переключательных полупроводниковых приборов, у которых есть 3 и более p-n перехода, в то время как у п/п диода 1 переход, а у транзистора 2.
Всего существует 4 типа тиристоров (вы можете встретить и другую квалификацию), с разными свойствами, назначениями и разными условными обозначениями:
- динисторы (диодные тиристоры);
- тринисторы (триодные тиристоры) незапираемые;
- тринисторы (триодные тиристоры) запираемые;
- симисторы (триодные тиристоры симметричные).
Динисторы
Структура динистора (диодного тиристора) отображена на рисунке ниже.
У динистора 3 перехода с чередованием слоев кристалла полупроводника с типом проводимости p-n-p-n. Крайние области структуры - это p (анод) и n (катод), а две средние области (n и p) никуда не подсоединены.
На анод включенного в прямом направлении динистора подается плюс источника питания, а на катод минус. На рисунке ниже ВАХ динистора.
Как и у термисторов (урок 15), на ВАХ динистора появляется участок с отрицательным сопротивлением. Но если термистор не содержит п/п перехода, его рабочий режим находится в пределах линейного участка характеристики, а нелинейность с отрицательным сопротивлением определяется саморазогревом термистора, то в динисторе вид ВАХ определяется свойствами самого прибора, особенностями взаимодействия электронов и дырок при приложении напряжения.
На участке 0-А динистор выключен (закрыт). Сопротивление его велико (несколько мегом), ток (т.н. ток утечки) мал. В точке А при увеличении напряжения до Uвкл (т.н. напряжение включения или переключения) ток резко возрастает, при этом участок А-Б отрицательного сопротивления не наблюдается (состояние неустойчиво). Напряжение включения динистора определяется его типом и составляет десятки или сотни вольт.
Поскольку последовательно с динистором обычно включается некоторое сопротивление, динистор выходит на участок Б-В и далее (это включенное состояние). Падение напряжения на открытом динисторе невелико и колеблется в районе 1 – 2 вольт.
Чтобы динистор оставался открытым, через него необходимо протекание тока не менее тока удержания Iуд. Выключить динистор можно уменьшением тока через него менее Iуд, как и снятием анодного напряжения.
Диаки (симметричные динисторы)
Помимо описанных выше несимметричных динисторов, существуют и симметричные динисторы (диаки), которые можно рассматривать как 2 симметричных однотипных обычных динистора, включенных встречно-параллельно, отсюда и его условное обозначение.
ВАХ диака симметрична относительно начала координат и представлена ниже.
У диака 2 вывода, но ввиду симметричности ВАХ понятия анода и катода не используются. Такие динисторы включаются при подаче напряжения любой полярности или переменного напряжения.
В схемотехнике диаки применяются в основном для запуска других ключевых элементов, например симисторов. Подобный пример использования динисторов будет приведен в самом конце урока, при описании схемы симисторного регулятора мощности.
Тринистор (триодный тиристор)
Структура тринистора (триодного тиристора) полностью повторяет структуру динистора, с 4 слоями кристалла p-n-p-n и 3 переходами. У тринистора также 2 устойчивых состояния, с переходом из одного состояния в другое.
Тринисторы бывают незапираемыми и запираемыми.
Незапираемый тринистор
Структура незапираемого тринистора представлена ниже, с условным обозначением.
Отличие тринистора от динистора в том, что у тринистора от одного из средних слоев сделан вывод, называемый управляющим электродом. ВАХ тринистора приведена ниже.
При нулевом токе через управляющий электрод ВАХ тринистора полностью соответствует ВАХ динистора (самая правая кривая с Iу4=0). Т.е. если управляющий электрод тринистора обесточен, то тринистор функционирует совершенно так же, как динистор.
При некотором напряжении включения Uвкл4 на характеристике появляется участок с отрицательным сопротивлением, и тринистор открывается. При увеличении тока управляющего электрода ВАХ смещается в сторону меньшего напряжения, этому состоянию соответствует ВАХ с меньшим напряжением включения (в примере Uвкл3, Uвкл2 и т.п.). Напряжение включения у тринисторов в зависимости от типа составляет от нескольких десятков до нескольких тысяч вольт.
В большинстве случаев тиристоры управляются не постоянными, а импульсными сигналами, при этом отпирающее напряжение управления составляет единицы вольт и указывается в даташите.
При некотором токе управления (Iу1 в примере) на характеристике исчезает участок с отрицательным сопротивлением, и ВАХ тринистора вырождается в ВАХ обычного п/п диода.
Ток управления, при котором характеристика тринистора "спрямляется", называется током спрямления. Тринистор - ключевой элемент, и во включенном состоянии падение напряжения на нем мало и не превышает десятых долей или единиц вольт.
Для выключения тринистора необходимо, как и для динистора, уменьшить ток через него до значения, меньшего тока удержания. Обратите внимание, что после того как тринистор открылся сигналом на управляющем электроде, он более управляющим электродом не управляется. Данный тип тринистора оттого называется незапираемым тринистором. (Тринистор иногда называют просто тиристором, хотя это не совсем правильно).
Тринисторы используются для включения и выключения реле, электродвигателей, ламп накаливания и пр. Ниже схема регулятора мощности для регулирования температуры жала паяльника.
В регуляторе - маломощный тринистор VS1 и такой же выпрямительный диод VD1, включенные встречно-параллельно и установленные в разрыв одного из питающих проводов паяльника.
При положительном полупериоде сетевого напряжения ток проходит через диод VD1 и нагрузку (паяльник). При отрицательном полупериоде ток через диод не проходит, но появляется возможность прохода этой полуволны через тринистор. Напряжение на управляющем электроде тринистора определяется зарядом конденсатора С1 через цепь из резисторов R1-R4, что определяет угол его включения.
Угол включения тринистора регулируется переменным резистором R3, что изменяет значение эффективного тока нагрузки, а тем самым и выделяющуюся на паяльнике мощность.
Угол включения тринистора - это угол между началом полуволны входного напряжения и моментом его включения. Другими словами, это угол, при достижении которого тринистор начинает работать. (Помимо термина угол включения существует еще и термин угол проводимости, дополняющий угол включения до 180°, и равный (180°-Угол включения в градусах).
Запираемый тринистор
Запираемые тринисторы, в отличие от описанных выше незапираемых тринисторов, способны переключаться из отпертого состояния в запертое не только путем уменьшения анодного тока, но и подачей на управляющий электрод сигнала отрицательной полярности (запирающего тока).
Ниже условное обозначение запираемого тринистора.
Симисторы (симметричные тринисторы, или триаки)
Существенный недостаток тринисторов заключается в том, что это однополупериодные элементы, соответственно, в цепях переменного тока они работают с половинной мощностью (что мы видели выше на примере схемы регулирования мощности паяльника, где пришлось установить параллельно тринистору диод). Избавиться от этого недостатка можно, используя схему встречно-параллельного включения двух тринисторов или установив симистор.
Эти п/п приборы имеют 5-слойную структуру, а участок с отрицательным сопротивлением наличествует на прямой и обратной ветвях, которая аналогична прямой. По сути симистор - это два тринистора с общим управлением, включенных встречно-параллельно (ниже слева). Условное обозначение симистора ниже справа.
Симисторы открываются сигналом управления как при прямом, так и обратном анодном напряжении, оттого они могут работать в цепях переменного тока. Запираются симисторы изменением полярности или обнулением напряжения между силовыми электродами.
Пример ВАХ симистора ниже. Особых пояснений, исходя из того, что выше была разобрана ВАХ тринистора, не требуется.
Если у тринистора есть анод и катод, то электроды симистора поочередно являются анодом и катодом, оттого по отношению к симисторам эти термины не применяются. Ниже простейшая схема регулятора мощности на симисторе, в качестве нагрузки включена лампа накаливания EL1.
В каждом полупериоде сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через резисторы R1, R2; когда напряжение на конденсаторе становится равным напряжению открывания динистора VD1, динистор пробивается и конденсатор разряжается через управляющий электрод симистора VS1 .
Симистор открывается вплоть до завершения полупериода, после чего процесс повторяется вновь, уже на полупериоде иной полярности.
Выходная мощность (а тем самым и величина действующего напряжения) регулируется переменным резистором R1. Чем большее введено сопротивление, тем медленнее заряжается конденсатор С1, тем больше угол включения, тем меньшая мощность на выходе, а соответственно и действующее напряжение.
Графики напряжений и мощности
Ниже графики напряжений на выходе двухполупериодного регулятора мощности в зависимости от угла включения симистора (по каждому из полупериодов) на протяжении 2 полных периодов переменного напряжения. По горизонтальной оси время (градусы), по вертикальной напряжение относительно амплитудного значения входного напряжения.
Ниже зависимость эффективного напряжения и мощности на нагрузке в зависимости от угла включения симистора.
Схемотехника для начинающих