Материал: 1-2-3-4 тэ

1. Будова, принцип дії та вах диністора.

2. Будова, принцип дії та сім’я вах триністора.

Триністор відрізняється від диністора наявністю третього виводу, з’єднаного з базовою областю. Ця обставина дозволяє керувати величиною напруги вмикання , змінюючи струм у колі керувального  електрода.

Керувальний  електрод може з’єднуватися з будь-якою базою тиристора (рисунок 13.5, а, б).

Рисунок 13.5 – Структура триністора: а – з керуванням за катодом; б – з керуванням за анодом; в – сім’я ВАХ триністора

Збільшуючи струму керування , можна збільшити коефіцієнт передачі струму  відповідного емітера,  це приводить до того, що рівність +=1 виконуватиметься при меншій анодній напрузі і ввімкнення  тиристора відбуватиметься при меншому значенні  (рисунок 13.5, в). Фізично це означає, що накопичення надлишкових зарядів у базах структури відбуватиметься швидше, ніж у випадку диністора, тому що джерело напруги керування у колі будь-якої з баз прискорює інжекцію через відповідний ЕП.

Струм і напруга кола керування невеликі, струм у анодному колі може досягати одиниць амперів (у тиристорах середньої потужності) або десятків – сотень амперів  (в силових тиристорах) при анодних напругах від десятків – сотень вольтів  до тисяч вольтів. Тому триністори – це своєрідні підсилювачі потужності з коефіцієнтом підсилення .

Триністори серед інших тиристорних структур мають найбільше практичне застосування в електроніці. Для більшого керування тиристором керувальний  електрод з’єднують з базою, що має меншу ширину, оскільки коефіцієнтом передачі струму емітера саме такої транзисторної структури (n-p-n – на рисунку 13.5, а і p-n-p –     на рисунку 13.5, б) легше керувати,  ніж коефіцієнтом передачі транзистора з товстою базою.

13.1.4 Симістори

Симетричний тиристор, або симістор, - це тиристор, який має практично однакові ВАХ при різних полярностях прикладеної напруги. Симістор являє собою багатошарову структуру ----- типу, що складається з п’яти напівпровідникових областей, типи провідності яких чергуються і які утворюють чотири -переходи (рисунок 13.6).

Рисунок 13.6 – Структура (а, б) та ВАХ (в) симетричного тиристора

Якщо до такого тиристора прикласти напругу плюсом до області , а мінусом до області  (рисунок 13.6, а), то перехід I увімкнеться в зворотному напрямі, і струм, що проходить через нього, буде дуже малим. Робочою частиною у такому режимі буде  --- - структура, в якій відбуватимуться процеси, звичайні для диністора.

Якщо зовнішню напругу прикласти плюсом до області , а мінусом до області , то в зворотному напрямі ввімкнеться перехід 4, і робочою частиною симістора буде диністор структури --- (рисунок 13.6, б).

Таким чином, симістор може бути поданий у вигляді двох тиристорів, увімкнених паралельно і назустріч один одному. ВАХ симістора показана на рисунку 13.6, в.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Структура диністора показана на рисунку 13.2, а.

Рисунок 13.2 – Структура (а) , транзисторна схема заміщення (б) та ВАХ тиристора у диністорному режимі

На рисунку 13.2 диністор увімкнено до кола разом із джерелом напруги  і навантаженням . Будемо вважати, що верхня p-область чотиришарової структури диністора з’єднана з електродом, що називається анодом, а нижня область з’єднана з катодом. Області тиристора    називатимемо  (зверху донизу)    p-емітер,     n-база,   p-база,

n-емітер.

При прикладенні зовнішньої напруги мінусом до анода і плюсом до катода емітерні переходи ЕП1 та ЕП2 вмикаються у зворотному напрямі, і через прилад проходить малий зворотний струм двох послідовно з’єднаних p-n – переходів (ділянка I на ВАХ рисунку 13.2, в).

Якщо змінити полярність джерела напруги, то переходи ЕПI та ЕП2 вмикаються у прямому напрямі, а середній, колекторний перехід КП – у зворотному. Через емітерні переходи здійснюються інжекція дірок (через ЕП1) та електронів (через ЕП2) до відповідних баз. Майже вся зовнішня напруга падає на великому опорі КП. Збільшення цієї напруги призводить до подальшого зменшення потенціальних бар’єрів ЕП1 та ЕП2 і збільшення інжекції через переходи. Дірки, інжектуючи через ЕП1, дифундують через n-базу, екстрагуються прискорювальним полем КП до області p-бази і накопичуються там, тому що подальша їх дифузія затримується гальмувальним полем ЕП2. Аналогічне відбувається і з електронами, які інжектують через ЕП2 до p-бази. Таким чином, у p-базі накопичується надлишковий позитивний заряд, а в базі – надлишковий негативний заряд.

Процеси у тиристорі свідчать про появу внутрішнього позитивного зворотного зв’язку. Механізм його дії полягає у наступному. Збільшення інжекції дірок до n-бази через ЕП1 приводить до накопичення цих дірок у p-базі. Зростання позитивного заряду p-бази приводить до подальшого прямого зміщення ЕП2 і збільшення інжекції електронів через нього. Це явище, у свою чергу, сприяє зростанню негативного заряду n-бази і додатковому прямому зміщенню ЕП1. Внаслідок цього інжекція дірок з p-емітера через ЕП1 ще більше зростає і т.д.

При прямих напругах < тиристор ще закритий, бо його опір – це фактично опір КП у зворотному вмиканні. Деяке зростання струму анода  при збільшенні анодної напруги  на ділянці II пояснюється збільшенням інжекції через переходи ЕП1 та ЕП2 при збільшенні на них прямих напруг, а також зменшення потенціального бар’єра КП внаслідок накопичення надлишкового заряду в базах.

При анодній напрузі = різниця потенціалів між p- та n- базою за рахунок попереднього накопичення зарядів дорівнює величині зовнішньої напруги на КП. На КП в цьому випадку діє нульова результуюча напруга, і перехід відкривається. Відбувається різке зменшення внутрішнього опору тиристора і зростання анодного струму, що супроводжується зменшенням прямої напруги на приладі.

 Цей спад напруги дорівнює сумі спадів напруги на трьох p-n - переходах, увімкнених у прямому напрямі (приблизно 0.7 В), спад напруги на n –  базі (0.12 В) і спадів напруги на емітерах (приблизно 0.2 – 0.3 В). Таким чином, сумарний спад  напруги на ввімкненому диністорі становить приблизно 1 В.

Отже, процес відкривання (ввімкнення) тиристора полягає в різкому зменшенні опору за рахунок прямого ввімкнення КП, збільшенні струму через прилад одночасно зі зменшенням спаду напруги. Ці обставини приводять до формування на ВАХ диністора ділянки з негативним диференційним опором (ділянка III на рисунку 13.2, в). Після закінчення процесу ввімкнення приладу робоча точка на ВАХ переходить на ділянку IV (рисунок 13.2, в).

 Щоб унаслідок багаторазового зростання струму  не відбулося руйнування кристалічної структури диністора, до  кола послідовно з приладом і джерелом живлення вмикають навантаження. І тоді струм у колі з відкритим тиристором дорівнює

.

Диністор у відкритому стані (ділянка IV на ВАХ) знаходиться доки, поки струм, що проходить через нього, підтримує у базах надлишкові заряди, які, у свою чергу, забезпечують відкритий стан КП. Зниження струму  до величин  приведе до того, що процес рекомбінації у базах почне відбуватися швидше, ніж процес накопичення, і КП знову ввімкнеться у зворотному напрямі.

Диністор може бути зображений у вигляді системи двох  біполярних транзисторів p-n-p  та  n-p-n –  типів (рисунок 13.2, б). На ділянці II ВАХ диністора (рисунок 13.2, в) обидва транзистори перебувають у активному режимі.

 Збільшення зовнішньої напруги приводить до зростання емітерного струму  p-n-p – ранзистора, збільшення його колекторного струму, тобто зменшення його внутрішнього опору. Внаслідок цього зростає позитивний потенціал бази n-p-n - транзистора, що також збільшує емітерний і колекторний струми останнього і, отже, зменшує внутрішній опір n-p-n –  транзистора. Тому на базі p-n-p – транзистора зростає негативний потенціал, і транзистор ще більше відкривається. У двотранзисторній схемі рисунка 13.2, б, яке є схемою заміщення реального тиристора, діє таким чином, позитивний зворотний зв’язок. При деякій зовнішній напрузі (=) обидва транзистори переходять у режим насичення, і опір схеми значно знижується.

Позначивши коефіцієнт передачі струмів цих транзисторів через  та , одержимо, що через КП у стані зворотного ввімкнення проходить струм

3. Пояснити механізм утворення внутрішнього позитив­ного зворотного зв’язку у триністорній структурі.

Оскільки тиристори є приладами з S -подібною ВАХ, що має ділянку з негативним диференційним опором, то вони є базою побудови імпульсних пристроїв, що генерують електромагнітні хвилі. У зв’язку з цим зростання інжекційних процесів на одному з прямо ввімкнених емітерних переходів тиристора при позитивній анодній напрузі приводить до зростання інжекції через другий перехід. Аналогічним чином збільшення емітерного струму p-n-p-транзистора приводить до збільшення прямого зміщення емітерного переходу n-p-n-транзистора та, як наслідок, збільшення емітерного струму цього транзистора. Саме внутрішній позитивний зв'язок визначає лавиноподібний характер цього процесу.

4. Вмикання та вимикання тиристора у диністорному та триністорному режимах.

Лабораторна робота 5

Дослідження тиристора у диністорному

та триністорному режимах

Мета роботи  ознайомитися з дією тиристора малої та середньої потужності; одержати ВАХ тиристора у диністорному та триністорному режимах.

Підготовка до роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал про тиристори.

2. Підготуватися до запитань письмового колоквіуму.

Перелік контрольних запитань

1. Будова, принцип дії та вах диністора.

2. Будова, принцип дії та сім’я вах триністора.

3. Пояснити механізм утворення внутрішнього позитив­ного зворотного зв’язку у триністорній структурі.

4. Вмикання та вимикання тиристора у диністорному та триністорному режимах.

Порядок виконання роботи

1. Визначити у довіднику розміщення електродів тиристорів КН 101 (діодний тиристор) та КУ 201, КУ 202 (тріодний тиристор), одержаних від викладача, а також дізнатися, керування за анодом чи за катодом у них використовується.

І Диністорний режим

2. Зібрати схему (рис. 5.1) для зняття ВАХ тиристора у диністорному режимі: . Виставити вхідну напругу зібраної схеми . Поступово збільшуючи анодну напругу на тиристорі, спостерігати за міліамперметром, як змінюється анодний струм у закритому стані тиристора. В момент відкриття тиристора, про що свідчитиме загорання лампочки, прослідкувати, щоб не було перевантаження в анодному колі тиристора. Якщо це має місце, то необхідно збільшити величину опору , або виставити потрібну межу виміру струму (наприклад, 100 mА або 1000 mА).