Запираемый тринистор с управление по катоду

В триодном тиристо­ре напряжением включения управляют, подавая дополнительное прямое смеще­ние на один из открытых р-п-переходов. Наиболее распространены ти­ристоры с инжектирующим управляю­щим электродом р-типа или с управ­лением по катоду (рис. 9). Допол­нительное положительное смещение по­дают у них на переход 3, ближайший к катоду; соответственно управляющим электродом служит вывод базы р₂. Это обусловлено тем, что коэффициент пере­дачи тока в узкой базе р ₂ близок к еди­нице.

 

Рис. 9. а – незапираемый с управлением по катоду; запираемый с управлением по катоду.

Тиристор, у которого управляющий электрод соединен с п -областью, бли­жайший к аноду, и который переводится в открытое состояние при подаче направляющий электрод отрицательного по отношению к аноду сигнала, называют тиристором с инжектирующим

управляющим электродом n -типа, или управлением по аноду (рис. 10).

Рис. 10. С управлением по аноду.

Рассмотрим работу тиристора с уп­равлением по катоду. Если ток управ­ляющего электрода I _у = 0, характери­стика триодного тиристора совпадает с характеристикой аналогичного диниcтора. При подаче на управляющий электрод положительного напряжения снижается потенциальный барьер перехода 3, возрастает инжекция электронов из эмиттера п ₂ и растет коэффициент их передачи А₂ в базе р₂. Приток этих допол­нительных электронов через переход 2 в базу п₁ снижает ее потенциал, вследствие чего увеличиваются инжекция дырок переходом 1 и коэффициент передачи тока А₁. Объемные заряды носителей в областях п₂ и р ₂ компенсируют заряды ионов примеси перехода 2 при меньшем напряжении включения. В этом случае анодный ток

I _a=(I ₀₂+ A ₂ I _у)/[1-(A ₁+ A ₂)], (3)

где I _у - ток управляющего электрода.

По мере увеличения I _у равенство A₁+А₂=1 реализуется при меньшем анодном напряжении, а ток анода в мо­мент включения тиристора возрастает. Это обусловлено тем, что с ростом I _у для компенсации зарядов ионов перехода 2 необходима меньшая составляющая то­ка, зависящая от анодного напряжения.

Таким образом, триодный тиристор представляет собой управляемый клю­чевой прибор. Изменяя ток I _у, можно управлять процессом перехода тиристо­ра из закрытого состояния в открытое. При достаточно большом значении тока управляющего электрода прямая ветвь вольт-амперной характеристики три­одного тиристора становится аналогич­ной прямой ветви вольт-амперной харак­теристики полупроводникового диода.

После отпирания тиристора управляю­щий электрод теряет свои управляющие свойства. Изменение тока I _у не влияет на анодный ток открытого тиристора, так как его области п ₂ и р₂ заполнены неос­новными носителями, обеспечивающими встречную инжекцию переходами 1 и 3. В этом принципиальное отличие незапираемого триодного тиристора от би­полярного транзистора, который выклю­чается при снятии управляющего сигна­ла вследствие прекращения притока но­сителей в базу.

Рис. 11. ВАХ не запираемого тринистора с управление по аноду (а) и запираемый с управлением по катоду(б).

Рис. 12. ВАХ запираемого тринистора с управлением по катоду.

Способы включения и выключения. Для включения тиристоров в цепях по­стоянного тока используют схемы с раз­делительным конденсатором или с им­пульсным трансформатором (рис. 13).

При включении тиристора через конден­сатор С (рис. 13, а) диод VD1 предот­вращает появление отрицательного им­пульса на управляющем электроде при разряде конденсатора. Для ограничения тока до требуемого значения в цепь уп­равляющего электрода включают рези­стор R _огр. Через резистор R _y управ­ляющий электрод связан с катодом при­бора. Трансформатор Т (рис. 13, б) обеспечивает развязку входной цепи ти­ристора от генератора запускающих им­пульсов. Диод VD1 служит для подачи на управляющий электрод импульсов положительной полярности.

Открытый незапираемый тиристор можно запереть, уменьшив его ток до значения, меньшего тока удержания I _уд, - подав обратное напряжение в анодную цепь или разомкнув ее. При работе тиристора в цепи переменного тока он запирается автоматически, когда его ток становится меньше I _уд.

Рис. 13. Схемы включения тринистора с управление по катоду:

а – через конденсатор; б – через импульсный трансформатор.

При работе в цепи постоянного тока для выключения тиристора используют спе­циальные схемы принудительного запи­рания (коммутации) с накопителями энергии — конденсаторами и катушками индуктивности. Схемы коммутации под­разделяют на две группы. В первой группе тиристор запирают током пред­варительно заряженного конденсатора с указанной на рис. 14, а полярностью. Во второй группе (рис. 14, б) обратное напряжение вводится в анодную цепь от заряженного конденсатора С через индуктивную катушку L. Функции клю­ча К, замыкающего цепь конденсатора, выполняет другой тиристор или тран­зистор.

Соответствующие указанным группам примеры практических схем выключения тиристоров, используемых в устройст­вах железнодорожного транспорта.

Рис. 14. Схемы выключения незапираемого тринистора:

а – встречным током; б – обратным напряжением.

Запираемые тиристоры. Тринистор, который может не только открываться, но и закрываться при подаче на уп­равляющий электрод сигналов соответ­ствующей полярности, называют запи­раемым (рис. 15, а).

Для запирания такого тиристора не­обходимо подать в цепь управляющего электрода напряжение U _з противопо­ложной полярности по сравнению с U _от (рис. 15, б). Ток в цепи управляющего электрода вызывает рассасывание заря­дов в базе тиристора. Это ведет к умень­шению токов инжекции через открытый переход и снижению коэффициентов пе­редачи A ₁ и A ₂, достаточному для запи­рания тринистора. Источник запираю­щего напряжения на управляющем элек­троде должен обеспечить протекание за­пирающего тока I _у.з в течение интерва­ла времени, пока тиристор не начнет за­пираться.

Способность тиристора к запиранию по управляющему электроду характе­ризует импульсный коэффициент запи­рания

В _и= I _а/ I _у.з.и (4)

где I _а — основной ток в открытом состоя­нии;

I _у.з.и — импульсный запирающий ток уп­равляющего электрода при опреде­ленном режиме в цепи основных электродов.

Запираемые тиристоры обеспечивают простое отключение нагрузки. Их при­менение позволяет упростить схемы импульсных устройств, используемых на железнодорожном транспорте.

Рис. 15.Схема управления запираемым тринистором (а) и осциллограммы ее входного и выходного напряжений (б).

Триак.

Это пятислойные ключи с п-р-п-р-п-структурой, имеющие один или два управляющих электрода. Преи­мущественное распространение получили приборы с одним управляющим элек­тродом. При подаче сигнала на управляю­щий электрод симметричный тири­стор может включаться как в прямом, так и в обратном направлении.

Структура симметричного триодного тиристора с двуполярным управлением имеет по сравнению с симметричным ди­одным тиристором дополнительную об­ласть п₄, сформированную в слое р₁ (рис. 16).

Рис. 16. Структура триака.

Когда отсутствует управляющий сиг­нал и Е_а< U _вкл, тиристор закрыт. Если на его управляющий электрод подано от­рицательное относительно анода напря­жение, начинается инжекция электронов из области п₄ через открытый переход 5, их диффузия по области р₁ и частичное перемещение в область п₂. Это вызывает снижение потенциала области п₂, отно­сительно р₁ и дополнительный приток дырок через переход 2 в область п₂. Эти дырки диффундируют в п₂ до пе­рехода 3, смещенного в обратном направ­лении, и переносятся его полем в об­ласть р₂. Потенциал ее относительно слоя п₃ повышается. В результате происхо­дит инжекция электронов из области п₃ через переход 4, их диффузия через р₂ и переход в область п₂. Потенциал п₂ снижается, что ведет к дальнейшему рос­ту тока. Этот лавинообразный процесс продолжается до переключения струк­туры в проводящее состояние.

При положительной полярности на­пряжения на управляющем электроде Е_у относительно анода переход 5 закрыт. Однако напряжение Е_у приложено также к области р₁ и способствует смещению пе­рехода 1 в прямом направлении, что вы­зывает приток электронов в область р₁. Часть их проникает в область п₂ и снижает ее потенциал относительно р₁ то ведет к дополнительному притоку дырок из области р₁ в п₂. Так как пере­вод 3 смещен в обратном направлении, дошедшие до него дырки переносятся полем перехода 3 в область р₂. Процесс продолжается до тех пор, пока струк­тура не перейдет в проводящее состоя­ние. Аналогично прибор работает и при противоположной полярности напряже­ния на электродах.

Перспективно применение симметрич­ных триодных тиристоров в преобразо­вателях и регуляторах переменного на­пряжения, а также в качестве бескон­тактных элементов автоматики. Триак заменяет два параллельно включенных тиристора; он требует меньшей защиты от перенапряжений, так как проводит ток в двух направлениях.

Рис. 17. ВАХ триака.

 

Тетродный тиристор.

Это четырехслойные p-n-p-n-приборы, имеющие вы­воды от всех четырех областей структу­ры (рис. 18). Тетродный тиристор можно включать и выключать, изменяя напряжение на его двух управляющих электродах. Это расширяет функцио­нальные возможности прибора по срав­нению с динистором и тринистором.

Рис. 18. Структура тетродного тиристора.

При подаче на вывод n-базы обрат­ного напряжения можно ускорить рас­сасывание в ней носителей и повысить быстродействие тиристорного ключа. Тетродные тиристоры перспективны для использования в схемах сравнения, триг­герах и других устройствах.

Рис. 19. ВАХ тетродного тиристора.