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 Еа< 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 Еу относительно анода переход 5 закрыт. Однако напряжение Еу 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.