ТИРИСТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Предисловие

Тиристоры — полупроводниковые приборы с четырехслойной р-n-р-n структурой обладают такими свойствами, как быстродействие, достаточно боль-шие рабочие напряжения и токи, мгновенная готовность к работе, высокий КПД большой срок службы и др., которые обеспечили им широкое распространение в электронике, электротехнике, автоматике и в ряде других областей техники.

По принципу действия полупроводниковые приборы с четырехслойной струк­турой существенно отличаются от транзисторов и в электрических устройствах действуют как полупроводниковые ключи, которые открываются и закрываются при кратковременной подаче соответствующих сигналов. Таким образом, эти полупроводниковые приборы обладают замечательным свойством «запоминать» заданное им внешним сигналом электрическое состояние.

В настоящее время тиристоры с успехом конкурируют с мощными транзис­торами, тиратронами, электромеханическими и механическими реле и широко применяются в таких устройствах, как переключатели, реле времени, регуляторы напряжений, импульсные генераторы, управляемые выпрямители, инверторы, и др. Использование полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой позволяет более просто реализовать ряд известных схем, а также создавать новые устройства, схемы которых не имеют аналогов в ламповой и транзистор­ной технике.

Успешное и эффективное применение тиристоров возможно в тех случаях, когда радиолюбитель знаком не только с паспортными данными приборов, но к понимает физические принципы действия приборов, влияния на их работу раз­личных факторов, а также отчетливо представляет методы построения схем ти-ристорных устройств. В то же время популярной радиотехнической литературы, в которой были бы систематизированы сведения о тиристорах и созданных на их основе устройствах, пока еще мало.

В настоящей книге читатель, недостаточно знакомый с полупроводниковыми приборами с четырехслойной р-n-р-n структурой и принципами использования их в различных устройствах, сможет найти ответы на основные возникающие у него вопросы.
В книге рассматриваются физические основы работы и основные характеристики диодных и триодных тиристоров. Показаны способы и возмож­ности применения этих приборов на примерах схем разнообразных устройств, приводятся рекомендации по выбору и расчету основных элементов схем.

Второе издание книги (первое вышло в 1978 г.) переработано и дополнено рядом схем тиристорных устройств, а также сведениями о некоторых типах три­одных тиристоров. Можно надеяться, что схемы описанных устройств и принци­пы, заложенные в основу их работы, привлекут внимание читателя и послужат ему исходным материалом для разработки на их основе оригинальных уст­ройств.

Отзывы о книге присылать по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь», Массовая радиобиблиотека.

Глава 1

 

УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП РАБОТЫ

И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ С ЧЕТЫРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРОЙ

 

1.     Устройство, принцип работы,

обозначения диодных и триодных тиристоров

Приборы с четырехслойной структурой р-n-р-n представляют собой один из видов многочисленного семейства полупроводниковых приборов, свой­ства которых определяются наличием в толще полупроводниковой пластины смежных слоев с различными типами проводимости. Основу такого прибора со­ставляет кремниевая пластина, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слои с дырочной р и электронной n проводимостями (рис. 1,а). Эти четыре слоя образуют три р-n перехода J1, J2, Jз. Выводы в приборах с че­тырехслойной структурой делаются от двух крайних областей (р и л), а в боль­шинстве приборов — и от внутренней области р.

Крайнюю область р структуры, к которой подключается положительный полюс источника питания, принято называть анодом А; крайнюю область n, к которой подключается отрицательный полюс этого источника, — катодом K, а вывод от внутренней области р — управляющим электродом УЭ. Естественно, что для полупроводникового прибора такие определения носят ус­ловный характер, однако они получили широкое распространение по аналогии с тиратронами и ими удобно пользоваться при описании схем с этими приборами.

Рис. 1. Схематическое устройство полупроводникового прибора с четырехслой­ной структурой (а), представление его в виде двухтранзисторной схемы (б, в)

Согласно ГОСТ 15133 — 77 все переключающие полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми состояниями, имеющие три или более р-n перехода, называются тиристорами. Приборы с двумя выводами (анод и катод) назы­ваются диодными тиристорами или динисторами, а приборы с тремя выводами (анод, катод, управляющий электрод) — тр йодным и ти­ристорами или тринисторами. В этой книге рассматриваются только эти два типа приборов, которые широко (особенно тринисторы) применяются в различных устройствах. С другими типами полупроводниковых приборов с мно­гослойной структурой (запираемыми и симметричными тиристорами, фототирис-торамл и др.) читатель может познакомиться в [1 — 4].

Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой может быть мо­делирован комбинацией двух обычных транзисторов с различными типами про­водимости (рис. 1,6, в): VTt со структурой р-n-р и VT2 со структурой n-р-n. У транзистора VTl переход J1 является эмиттерным, а переход J2 — коллекторным, у транзистора VT2 эмиттерным служит переход J3, а коллекторным J2; таким «образом, оба транзистора имеют общий коллекторный переход J2 (рис. 1,6). Крайние области четырехслойной полупроводниковой структуры являются эмит­терами, а внутренние — базами и коллекторами составляющих транзисторов VТг и VT2.

База и коллектор транзистора VT1 соединяются соответственно с коллекто­ром и базой транзистора VT2, образуя цепь внутренней положительной обратной связи (рис. 1,6, в). Действительно, из рис. 1,в видно, что коллекторный ток IK1 транзистора VT1 одновременно является базовым током IБ2, отпирающим тран­зистор VT2, а коллекторный ток Iк2 последнего — базовым током IБ1, отпирающим транзистор УТ1, т. е. база каждого транзистора питается коллек­торным током другого транзистора.

Рассмотрим режим работы полупроводникового прибора с четырехслойной структурой, когда на него подано небольшое напряжение: плюс источника пи­тания Uпит через резистор R подключен к аноду, минус — к катоду, а ток в цепи управляющего электрода равен нулю (рис 1,а, в).


Напряжение такой по­лярности называется прямым. Приложенное к прибору напряжение распреде­ляется между тремя р- n переходами структуры. При указанной полярности на­пряжения Uпит оба эмиттерных перехода J1 и J3 составляющих транзисторов будут включены в прямом, а общий коллекторный переход J2 — в обратном на­правлениях. Таким образом, все напряжение источника практически окажется приложенным к среднему переходу J2, который препятствует протеканию боль­шого тока через прибор, несмотря на то, что два других перехода структуры включены в прямом направлении. Через полупроводниковый прибор и во внеш­ней цепи начинает протекать небольшой ток IJ2 коллекторного перехода J2, включенного в обратном направлении.

Обозначим через ai и а2 интегральные коэффициенты передачи токов эмит­теров транзисторов VTl и VT2 соответственно. Из рассмотрения транзисторной схемы замещения (рис. 1,б,в) видно, что ток IJ2, протекающий через переход J2, складывается из трех компонентов: коллекторных токов a1IЭl и a2IЭ2, создан­ных эмиттерными токами обоих транзисторов, и небольшого собственного обрат­ного тока этого перехода Iко, т. е.



где IЭ1 и IЭ2 — эмиттерные токи составляющих транзисторов VT1 и VT2 соот­ветственно; Iко — собственный обратный ток коллекторного перехода J2.

Как видно из рис. 1,6, е, токи IЭ1, IЭ2 и Ij2 должны быть одинаковыми пс» значению с током во внешней цепи I и, следовательно, равны между собой, т. е. IЭ1 = IЭ2 =IJ2 = I. Таким образом,

I = a1I + а2I + IК0,

отсюда

                                                                                                                                     (1)

Уравнение (1) является основным соотношением для полупроводниковые приборов с четырехслойной структурой р-n-р-n, из которого видно, что ток I через прибор зависит от значения коэффициентов a1 и а2 и резко возрастает, когда сумма (a1+a2) приближается к единице.

Пока напряжение, приложенное к прибору, таково, что коллекторный пере­ход J2 остается включенным в обратном направлении, ток, протекающий через переход мал, а значения коэффициентов си и а2 много меньше единицы.


Тогда на основании равенства (1) получаем, что ток во внешней цепи примерно равен собственному обратному току коллекторного перехода, который применительно к четырехслойной полупроводниковой структуре принято называть током в закрытом состоянии, т. е. I=Iко=Iзс. В этом режиме оба транзистора находятся в выключенном состоянии, сопротивление между выводами А и K, которое определяется сопротивлением перехода J2, включенного в обратном на­правлении, будет большое (сотни килоом), что соответствует закрытому (непро­водящему) состоянию полупроводникового прибора с четырехслойной структу­рой.

Существуют два основных способа увеличения коэффициента а, получивших наибольшее распространение в практике. Известно, что значение коэффициента передачи тока эмиттера в кремниевых транзисторах существенно зависит от тока эмиттера, а также от напряжения между коллектором и эмиттером. На рис. 2 показаны примерные зависимости коэффициента а от напряжения кол­лектор — эмиттер (при токе базы, равном нулю) и от тока эмиттера кремние­вого транзистора. При токах эмиттера, не превышающих долей миллиампера,, значение а мало — менее 0,1. Оба способа воздействия на коэффициенты ai и ctj используются для включения полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой.



Рис. 2. Примерные за­висимости коэффици­ента а от напряже­ния коллектор — эмиттер Uкэ (а) и от тока эмиттера IЭ (б) у кремниевого транзистора

Вначале рассмотрим способ открывания прибора путем повышения напряже­ния, приложенного к выводам анод — катод (рис. 1,а, в], полагая ток управляю­щего электрода Iу равным нулю. Начнем постепенно увеличивать напряжение-£Лшт, а тем самым и напряжения, действующие между коллектором и эмитте­ром у каждого из составляющих транзисторов (рис. l,s). Сначала ток через прибор остается практически неизменным, так как токи составляющих транзис­торов и ток Iко почти не возрастают, поскольку коллекторный переход J2 про­должает оставаться включенным в обратном направлении, а коэффициенты a1 и a2 по-прежнему много меньше единицы (рис. 2,а).


При дальнейшем повыше­нии напряжения и по мере приближения его к пробивному напряжению нерехо-да J2 начинают увеличиваться токи составляющих транзисторов, ток Iко, а следовательно, и коэффициенты a1 и a2. При некотором значении напряжения на приборе, которое называется напряжением переключения UПрк, про­исходит пробой перехода J2, сопровождающийся лавинообразным нарастанием токов обоих составляющих транзисторов и тока через прибор.

При напряжениях, достаточно близких к напряжению лавинного пробоя коллекторного перехода J2, следует учитывать эффект умножения носителей за­рядов (дырок и электронов) при прохождении ими обратно включенного перехо­да J2. Для упрощения можно предположить, что коэффициенты лавинного ум­ножения дырок Мр и электронов Мп одинаковы: Мр=Мп = М. С учетом это­го явления ток через коллекторный переход



а уравнение :(1) принимает вид

                                                                                                                                              (1а)

где М — коэффициент лавинного умножения носителей зарядов, который явля­ется функцией напряжения, приложенного к переходу J2.

При напряжениях, подаваемых на прибор, пока коллекторный переход J2 остается включенным в обратном направлении, умножение зарядов отсутствует, т. е. М=1. Однако при приближении этого напряжения к значению Unрк в коллекторном переходе начинает проявляться процесс ударной ионизации ато­мов, происходит образование дополнительных носителей и коэффициент М ста­новится больше единицы.

Лавинное нарастание тока через р-n-р-n структуру начинается при напря­жении, которое обеспечивает выполнение равенства M(a1+a2) = 1. При этом ус­ловии оба составляющих транзистора переходят в режим насыщения, сопротив­ление между выводами А и K прибора падает до нескольких ом, что соответ­ствует сопротивлению трех последовательно соединенных р-n переходов, вклю­ченных в прямом направлении. Ток через прибор, который называется током в открытом состоянии (прямой или анодный ток), практически ограничи­вается лишь сопротивлением внешней цепи R (рис. 1,а,в), а падение напряже­ния на приборе, которое называется напряжением в открытом со­стоянии Uoc, составляет единицы вольт.


Такой режим соответствует откры­тому (проводящему) состоянию прибора с четырехслойной структурой.

Следует заметить, что при переходе составляющих транзисторов в режим насыщения напряжения их коллекторных переходов становятся примерно рав­ными нулю, и если в момент переключения коэффициент М>1, то после пе­реключения он становится равным единице.

Открытое состояние полупроводникового прибора с четырехслойной струк­турой сохраняется, пока через него протекает ток, обеспечивающий выполнение равенства а1 + а2=1 при малом значении напряжения на приборе. Наименьшее значение этого тша называется удерживающим током Iуд.

Второй способ переключения приборов из закрытого состояния в открытое основан на том, что в кремниевых транзисторах коэффициент а в сильной сте­пени зависит от тока эмиттера .(рис. 2,6) и быстро возрастает при увеличении этого тока. На эмиттерный ток транзистора можно воздействовать током базы; поэтому полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой можно пере­вести в открытое состояние, если пропустить ток в цепи базы одного из со­ставляющих транзисторов, что приведет к увеличению тока эмиттера и соот­ветственно коэффициента а этого транзистора. Этот способ применяется для открывания трехэлектродных приборов. В дальнейшем мы будем рассматривать только такие трехэлектродные полупроводниковые приборы, у которых вывод управляющего электрода сделан из внутренней р-области структуры (р — база транзистора VT2 на рис. 1,6, в). В этом случае для включения прибора ток управляющего электрода Iу, подаваемый от дополнительного внешнего источни­ка, должен иметь направление, соответствующее направлению тока базы тран­зистора n-p-n(VT2), т. е. втекать в базу (рис. 1,0).

С учетом управляющего тока Iу ток, протекающий через средний коллек­торный переход J2, будет



и тогда уравнение (1) для тока через прибор несколько изменится:

                                                                                                                                              (1б)



Рассмотрим процесс включения трехэлектродного прибора, между анодом в катодом которого действует напряжение Uпит, которое меньше, чем напряжение переключения, а в цепь управляющего электрода от внешнего источника подак ток Iу (рис. 1,в).

Механизм включения полупроводникового прибора с четырехслойной струк­турой посредством тока Iу можно пояснить, используя двухтранзисторную схе­му замещения (рис. 1,6, в). Протекая в цепи база — эмиттер транзистора VT2, ток Iу увеличивает эмиттерный и коллекторный токи этого транзистора и тем самым — коэффициент а2. Однако коллекторный ток транзистора VТ2 является базовым током второго транзистора и, протекая в цепи базы транзистора VT1, открывает последний. Эмиттерный и коллекторный токи транзистора VT1 воз­растают, растет и коэффициент a1. Коллекторный ток VT1, протекая в цепи базы транзистора VT2 и складываясь с током управляющего электрода Iу, приводит к дальнейшему росту эмиттерного и коллекторного токов транзистора VT2. Та­ким образом, благодаря действию внутренней положительной обратной связи пс току создаются условия для лавинного нарастания тока через р-n-р-n структу­ру (16) и прибор переключается в открытое состояние. Следует обратить внима­ние на то, что ток управляющего электрода Iу позволяет увеличить коэффици­ент а2 и таким образом начать процесс лавинообразного нарастания тока через р-n-р-n структуру независимо от значения напряжения UПИт, действующего меж­ду анодом и катодом прибора.

После включения прибора управляющий ток может быть сделан равным ну­лю. При этом благодаря действию положительной обратной связи составляющие транзисторы VTi и VT2 останутся в режиме насыщения, ибо ток базы, необхо­димый для насыщения каждого из транзисторов, обеспечивается коллекторным током дополняющего транзистора. В этом состоит принципиальное различие между полупроводниковыми приборами с четырехслойной р-n-р-n структурой и транзисторами (последние сохраняют открытое состояние, пока цепь базы пи­тается током от какого-либо внешнего источника).


Как и при первом способе отпирания, прибор остается в открытом состоянии, пока протекающий через него ток обеспечивает выполнение условия а1+а2»1.

Оба рассмотренных способа увеличения коэффициентов а используются на практике для переключения из закрытого состояния в открытое полупроводни­ковых приборов с четырехслойной структурой. Первый способ — для переключе­ния двухэлектродных приборов (динисторов), второй — для включения трехэлек­тродных приборов (тринисторов). При любом способе отпирания время перехо­да приборов из закрытого состояния в открытое составляет единицы микросе­кунд.

Открытый полупроводниковый прибор можно вновь перевести в закрытое состояние, если уменьшить протекающий через него ток так, чтобы стало вы­полняться условие (ai+a2)<l, или просто на короткое время разомкнуть внешнюю цепь, сделав прямой ток равным нулю.

Обратимся теперь к случаю, когда к аноду полупроводникового прибора с четырехслойной структурой приложено относительно небольшое напряжение об­ратной полярности, так называемое обратное напряжение (плюс к ка­тоду, минус к аноду), а ток в цепи управляющего электрода равен нулю. При подаче напряжения обратной полярности оба крайних (эмиттерных) перехода J1 и J3 четырехслойной полупроводниковой структуры включаются в обратном, а средний (коллекторный) переход J2 — в прямом направлениях. Обычно пере­ход Jз обладает очень слабой запирающей способностью, и поэтому все на­пряжение внешнего источника практически оказывается приложенным к перехо­ду J1. При этом через прибор и во внешней цепи будет протекать небольшой ток перехода J1, включенного в обратном направлении, который называется обратным током Iобр.

Если увеличивать обратное напряжение, то при некотором его значении произойдет электрический пробой перехода J1, что может привести к разруше­нию прибора. Обратное напряжение для полупроводниковых приборов с четы­рехслойной структурой строго ограничивается по значению, а для некоторых ти­пов приборов оно вообще недопустимо.



Итак, механизм действия полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой (тиристоров) имеет резко выраженный ключевой характер. Приборы могут находиться только в одном из двух устойчивых состояний: «Закрыто» и «Открыто». Эта особенность приборов отражена в их названии: «тира» — по-гречески означает дверь.



Рис. 3. Общий вид динистора типа КН102, тринисторов типов КУ101, КУ201, КУ202, КУ203 и гибридного тиристора КУ10б

Полупроводниковые приборы с четырехслойной р-n-р-n структурой изготав­ливаются из кремния, что обусловлено, во-первых, сильной зависимостью в кремниевой структуре коэффициентов а от протекающего тока, во-вторых, воз­можностью получить р-n переходы на более высокие пробивные напряжения по сравнению с германиевыми структурами и, в-третьих, более высокой допустимой рабочей температурой.

Каждый полупроводниковый прибор монтируется в герметичном металличе­ском корпусе, предохраняющем его от внешних воздействий. Динисторы и три­иисторы малой мощности имеют проволочные выводы электродов и выпускаются в корпусах, аналогичных соответственно корпусам выпрямительных диодов и транзисторов средней мощности (рис. 3). Тринисторы средней мощности выпус­каются в специальных корпусах, в которых поверхность монокристалла с про­водимостью р-типа припаяна к медному основанию корпуса, служащего анодом прибора. Корпус имеет болт (анодный вывод) для крепления к радиатору, ко­торый обеспечивает отвод тепла, выделяющегося в полупроводниковой структу­ре при работе прибора. Выводы катода и управляющего электрода — жесткого-типа и сделаны через керамический изолятор в верхней части корпуса.

Отечественной промышленностью выпускаются разнообразные полупровод­никовые приборы с четырехслойной структурой (главным образом тринисторы) , охватывающие широкий диапазон напряжений и токов. Внешний вид динистора. и некоторых типов тринисторов малой и средней мощностей отечественного про­изводства показан на рис. 3.

Динисторам и тринисторам малой и средней мощностей присваиваются обозначения, состоящие из следующих элементов.



Первый элемент обозначения — буква К ( или цифра 2) определяет, что исходным полупроводниковым материалом, из которого изготовлен прибор, слу­жит кремний.

Второй элемент обозначения — буква, указывающая подкласс прибора: Н — тиристоры диодные (динисторы), У — тиристоры триодные (тринисторы).

Третий элемент обозначения — цифра, определяющая мощность прибора. Диодные и триодные тиристоры малой мощности (с допустимым значением по­стоянного тока в открытом состоянии не более 0,3 А) обозначаются цифрой 1, а приборы средней мощности (с допустимым значением постоянного тока в открытом состоянии от 0,3 до 10 А) — цифрой 2.

Четвертый и пятый элементы обозначения — число от 01 до 99 определяет-порядковый номер разработки прибора.

Шестой элемент обозначения — буква русского алфавита от А до Я, ука­зывающая параметрическую группу в данном подклассе приборов.

Примеры обозначения: КН102А — динистор малой мощности, КУ101Е — три-нистор малой мощности, КУ201Л — тринистор средней мощности.

В радиолюбительской практике наибольшее применение находят дкнисторьр типа КН102, тринисторы типов К.У101, КУ201 и КУ202 с различными буквен­ными индексами. Могут встретиться устаревшие и снятые с производства при­боры, имеющие обозначения: динисторы Д227,. Д228 и тринисторы Д235, Д238: Основные параметры приборов Д227 и Д228 аналогичны или близки соответст-

вующим параметрам динисторов типа КН102. Приборы ти-лов Д235 и Д238 по значению прямого тока (постоянного я импульсного), а также по допустимой рассеиваемой мощ­ности эквивалентны тринисторам типов КУ201 и КУ202 .соответственно, однако максимальное прямое напряжение для приборов типа Д235 не превышает 100 В, а для при­боров Д238 150 В.

Условные графические обозначения динисторов и три-яисторов на электрических схемах показаны на рис. 4 .(ГОСТ 2.730 — 73*).



Рис. 4. Условные графические обоз­начения динистора VS1 и тринистора VS2 на электри­ческих схемах

2. Вольт-амперные характеристики диодных и триодных тиристоров



Режим работы динисторов и тринисторов хорошо иллюстрируется их статическими вольт-амперными характеристиками, из которых можно получить представление об основных параметрах этих приборов. На рис. 5,а приведена типовая вольт-амперная характеристика динистора. Здесь по горизонтальной оси отложено напряжение V между его анодом и катодом (анодное напряжение), а по вертикальной — ток I, протекающий через прибор. Область характеристики при положительных анодных напряжениях образует прямую ветвь, а при отри­цательных — обратную ветвь характеристики. На характеристике можно выде­лить четыре участка, обозначенные на рис. 5,а арабскими цифрами, каждый из -которых соответствует особому состоянию четырехслойной полупроводниковой структуры.



Рис. 5. Статические вольт-амперные характеристики динистора (а) и тринисто­ра (б)

Участок 1 характеристики соответствует закрытому состоянию (в прямом направлении) динистора. На этом участке сумма коэффициентов (a1 + a2)<l и через динистор протекает небольшой ток Iзc — ток прибора в закрытом состоя­нии. В закрытом состоянии сопротивление промежутка анод — катод прибора велико и обратно пропорционально значению тока Iзс. В пределах участка 1 увеличение анодного напряжения мало влияет на ток, пока не будет достигну­то напряжение (точка а характеристики), при котором в четырехслойной по­лупроводниковой структуре наступает лавинообразный процесс нарастания то--ка, и динистор переключается в открытое состояние. Прямое напряжение, соответствующее точке а характеристики, называется напряжением переключения Uпрк, а ток, протекающий при этом через прибор, — током переключения Iпрк [параметры режима, при которых М(a1 + a2) = 1].

В процессе переключения динистора в открытое состояние незначительное-увеличение тока сопровождается быстрым уменьшением напряжения на аноде прибора (участок 2), так как составляющие транзисторы переходят в режим-насыщения (рис. 1,6,0). Сопротивление динистора в пределах участка 2 стано­вится отрицательным.


Причину этого можно пояснить следующим образом. Произведение M(a1 + a2) в процессе переключения не может становиться боль­ше единицы, поскольку ток через динистор ,не меняет своего направления [см. равенство (1а)]. Таким образом, возрастание суммы a1 + a2 должно сопровож­даться снижением значения коэффициента умножения М, что возможно лишь при уменьшении напряжения на коллекторном переходе J2, т. е. на аноде ди­нистора.

Участок 3 вольт-амперной характеристики соответствует открытому состоя­нию прибора. В пределах этого участка все три р-n перехода полупроводнико­вой структуры включены в прямом направлении и относительно малое напря­жение, приложенное к прибору, может создать большой ток IОС в открытом со­стоянии, который при данном напряжении источника питания практически оп­ределяется только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на от­крытом приборе — напряжение в открытом состоянии U0c, как и у обычного диода, незначительно зависит от прямого тока. Что касается значения наи­большего постоянного тока, который может пропускать прибор в этом режиме,, то, как обычно в полупроводниковых структурах, он определяется площадыо р-n перехода и условиями охлаждения прибора.

Динистор сохраняет открытое состояние, пока прямой ток IПр будет больше некоторого минимального значения — удерживающего тока Iуд (точка б на характеристике). При снижении тока до значения Iпр<IУд динистор скач­ком возвратится в закрытое состояние.

Таким образом, динистор может находиться в одном из двух устойчивых состояний. Первое (участок 1) характеризуется большим напряжением на при­боре (Uзс) и незначительным током (Iзc), протекающим через него, а второе (участок 5) — малым напряжением на приборе (Uoc) и большим током (Iос). Рабочая точка на участке 2 вольт-амперной характеристики находиться не мо­жет.

Участок 4 характеризует собой режим динистора, когда к его электродам приложено напряжение обратной полярности U0бр (плюс к катоду, минус к аноду), — непроводящее состояние в обратном направлении.


Как отмечалось в § 1, режим полупроводникового прибора с четырехслойной структурой при подаче напряжения обратной полярности определяется запирающими свойства­ми р-n перехода J1 (рис. 1,а). Таким образом, обратная ветвь вольт-амперной-характеристики фактически определяет режим перехода J1, включенного в об­ратном направлении, и имеет такой же вид, как и обратная ветвь характерис­тики обычного кремниевого диода. Обратный ток Iобр мал и примерно равен теку в закрытом состоянии. Если увеличивать (по абсолютному значению)-напряжение U0бр, то при некотором его значении Uпр0б, называемым обрат­ным напряжением пробоя (точка в на участке 4), наступает пробой перехода J1, который может привести к разрушению прибора. Поэтому пода­вать на полупроводниковые приборы с четырехслойной структурой даже на короткое время обратное напряжение, близкое к UПроб, недопустимо. Наибольшее обратное напряжение, которое может выдерживать прибор, указывается в его паспортных данных и при эксплуатации не должно превышаться.

Рассмотрим теперь семейство статических вольт-амперных характеристик тринистора, изображенное на рис. 5,6. Изменяемым параметром семейства явля­ется значение тока Iу в цепи управляющего электрода.

Вольт-амперная характеристика при токе Iу = 0, по существу, представляет собой характеристику динистора и обладает всеми особенностями, рассмотрен-ными выше. При подаче управляющего тока и его последующем увеличении (I'"у>I"у>I'у>0) участки 1 и 2 характеристики укорачиваются, а напряже­ние переключения снижается (U"apH<U'прк<UпpK). Каждая характеристика, соответствующая большему току Iу, располагается внутри предшествующей. Наконец, при некотором значении управляющего тока I'"У вольт-амперная ха­рактеристика тринистора вообще «спрямляется» и становится подобной прямой ветви характеристики обычного кремниевого диода (рис 5,6). Соответствующее значение управляющего тока называется отпирающим током управления I/"У=IУ.ОТ.


Физически это означает, что при токе управления Iу>Iу.0т сумма (a1 + a2)=1 и средний переход J2 полупроводниковой четырехслойной структу­ры тринистора всегда оказывается в режиме насыщения. Следовательно, при подаче такого тока управления тринистор переключается из закрытого состоя­ния в открытое при любом значении прямого (анодного) напряжения, находя­щегося в пределах 0<Uпр<U8б.

Управляющий электрод тринистора выполняет роль своеобразного «под­жигающего» электрода (аналогично действию сетки в тиратроне). Причем уп­равляющее действие этого электрода проявляется лишь в момент включения тринистора: закрыть прибор или изменить значение тока, протекающего через открытый прибор, изменяя ток управления, невозможно. (Исключение составля­ет специальный тип приборов — запираемые тиристоры, которые открываются положительным, а закрываются отрицательным сигналами на управляющем элек­троде [2].)

Выключить открытый тринистор можно, как и динистор, только сделав пря­мой ток меньше значения удерживающего тока Iуд (рис. 5,6).

Способ открывания тринисторов током управляющего электрода имеет существенные достоинства, так как позволяет коммутировать большие мощно­сти в нагрузке маломощным управляющим сигналом (коэффициент усиления по мощности составляет примерно 5-102...2-103).

Важной особенностью почти всех типов полупроводниковых приборов с че­тырехслойной структурой является их способность работать в импульсных ре­жимах с токами, значительно превышающими допустимые постоянные токи открытом состоянии. Так, например, динисторы КН102 при постоянном токе не более 0,2 А допускают импульсный ток до 10 А, тринисторы типов КУ203 и КУ216 способны пропускать импульсные токи до 100 А при допустимом посто­янном токе 5 А и т. д.

При описании принципов работы ключевых устройств на динисторах и три-нисторах, кроме статических вольт-амперных характеристик приборов (рис. 5), пользуются и нагрузочными характеристиками. Применительно к устройствам с динисторами и тринисторами нагрузочная характеристика (нагрузочная прямая или линия нагрузки) отражает зависимость прямого тока IПр от напряжения на аноде прибора Uup при наличии в анодной цепи сопротивления нагрузки Rн (рис. 6,а).


Ее аналитическое выражение



получают на основании второго закона Кирхгофа.

Нетрудно заметить, что это действительно уравнение прямой линии, отсе­кающей на осях координат отрезки Uпр — Uпит при Iпр = о и IПр = Uпит/Rн при Uпр = 0.



Рис. 6. Схема тринистора с анодной на­грузкой в цепи постоянного тока (а) и на­грузочная характеристика (б)

На рис. 6,6 нагрузочная прямая изображена совместно с вольт-амперной характеристикой тринистора. Угол наклона линии нагрузки г|) прямо пропорцио­нален значению arctg 1/Rн и зависит от сопротивления нагрузки RH. Для нор­мальной работы ключевых устройств нагрузочная прямая должна пересекаться со всеми тремя участками прямой ветви вольт-амперной характеристики тринис­тора (или динистора), что обеспечивается соответствующим выбором напря­жения источника питания и сопротивления анодной нагрузки. На рис. 6,6 ли­ния нагрузки пересекается с вольт-амперной характеристикой, соответствующей току управляющего электрода Iу = 0 в точках K1, K2 и Кз. Точка Кь располо­женная на участке 1, характеризует устойчивое состояние устройства (рис. 6,а) в режиме «Выключено», когда тринистор закрыт. Точка Кз, расположенная на участке 3, характеризует устойчивое состояние в режиме «Включено» — тринис­тор открыт. Наконец, точка Кг на участке 2 соответствует неустойчивому со­стоянию устройства, в котором оно находиться не может, и поэтому переходит в одно из двух устойчивых состояний. На рис. 6,6 показано, что для открыва­ния тринистора при напряжении источника питания UПИт в цепь управляющего электрода необходимо подать ток Iy>I'У. При управляющем токе I'у участок 1 вольт-амперной характеристики укорачивается и в точке К' касается линии нагрузки. Вследствие нестабиль­ности этой точки тринистор скач­ком переключается в открытое со­стояние, определяемое устойчивой точкой Кз. В практических уст­ройствах для открывания трини­стора обычно выбирают ток управ­ляющего электрода равным Iу>IУ.ОТ, при этом вольт-амперная характеристика прибора спрямля­ется (рис. 5,6), что гарантирует устойчивое включение прибора не­зависимо от значения напряже­ния Uпит.



Если сопротивление анодной нагрузки Ян увеличивать, то угол наклона линии нагрузки -ф умень­шается, а рабочая точка Кз сме­щается вниз по участку 3 вольт-амперной характеристики прибора и в конце концов вообще выйдет за пределы этого участка. При таком сопротивлении анодной нагрузки прямой ток становится меньше значения удерживающего тока, и тринистор (или динистор) вновь возвратится в закрытое состояние.

Переход прибора из одного устойчивого состояния в другое всегда проис­ходит при кратковременном пересечении нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой в одной точке противоположного состояния.

3. Основные электрические параметры приборов

Терминология, относящаяся к электрическим параметрам тиристоров, существенно отличается от терминологии, принятой в транзисторной технике. Определения и буквенные обозначения электрических параметров тиристоров ус­танавливаются ГОСТ 20332 — 84.

Электрические параметры тиристоров можно разделить на две группы: пер­вая характеризует пребывание приборов в одном из устойчивых состояний — закрытом или открытом, вторая — процесс переключения из одного какого-либо устойчивого состояния в другое. Рассмотрим некоторые основные параметры, которые непосредственно связаны с использованием приборов в радиолюбитель­ской практике.

Для лучшего понимания физической сущности параметров первой группы удобно воспользоваться статическими вольт-амперными характеристиками ти­ристоров (рис. 5).

1. Постоянное напряжение в закрытом состоянии (7ЗС — наибольшее прямое напряжение, которое длительное время может быть приложено к прибору и при котором он находится в закрытом состоянии, т. е. сохраняет состояние высокого сопротивления.

2. Постоянный ток в закрытом состоянии I3c — ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (обычно при напряжении изс).

3. Импульсное неповторяющееся напряжение в закрытом состоянии Uзс.нп — наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося напряжения на ано­де тиристора, не вызывающее его переключение из закрытого состояния в от­крытое.



4. Постоянное обратное напряжение U0бр — наибольшее напряжение, кото­ рое длительное время может быть приложено к прибору в обратном направ­лении и при котором он сохраняет состояние высокого сопротивления.

5. Постоянный обратный ток Iобр — обратный анодный ток при определен­ном обратном напряжении (обычно при напряжении U0бр).

Значения Uac, I3C, U0бР и I0бР в справочных данных указываются для оп­ределенной (обычно максимально допустимой) температуры окружающей среды, в которой работает прибор.

6. Обратное напряжение пробоя UПроб — обратное напряжение на приборе, при котором обратный ток через прибор становится больше допустимого зна­чения (точка в на рис. 5,а).

7. Напряжение переключения UПРк — прямое напряжение, соответствующее точке перегиба вольт-амперной характеристики (точка а на рис. 5,а).

8. Ток переключения IПРК — ток через прибор в момент переключения. Па­раметры Uпрк и IпРк указываются только для динисторов.

9- Удерживающий ток Iуд — наименьший прямой ток, который необходим для поддержания прибора в открытом состоянии (точка б на рис. 5,а).

10. Напряжение в открытом состоянии U0c — падение напряжения на при-боре, обусловленное током в открытом состоянии.

11. Ток в открытом состоянии Iос — наибольшее значение постоянного тока в открытом состоянии.

12. Повторяющийся импульсный ток в открытом состоянии Iос.и — наиболь­шая амплитуда периодически повторяющихся импульсов тока в открытом со­стоянии с определенной длительностью и скважностью.

13. Импульсное отпирающее напряжение U0т.и — наименьшая амплитуда импульса прямого напряжения с определенной длительностью фронта, обеспе­чивающая переключение динистора из закрытого состояния в открытое.

14. Постоянный отпирающий ток управления Iу.0т — наименьший постоян­ный ток управляющего электрода, необходимый для переключения тринистора из зaкрытого состояния в открытое.

15. Постоянное отпирающее напряжение управления Uу.01 — напряжение между управляющим электродом и катодом тринистора, соответствующее по­стоянному отпирающему току управления (измеряется непосредственно перед моментом отпирания прибора).



16. Импульсный отпирающий ток управления Iу.от.н — наименьшая ампли­ туда импульса тока управляющего электрода (с определенной длительностью), при которой обеспечивается переключение тринистора из закрытого состояния в открытое.

17. Импульсное отпирающее напряжение управления Uу.0т.и — значение амплитуды импульса напряжения на управляющем электроде (с определенной длительностью), соответствующее импульсному отпирающему току управле­ния.

18. Неотпирающее постоянное напряжение управления Uу.нот — наиболь­шее постоянное напряжение на управляющем электроде, не вызывающее пере­ключение тринистора из закрытого состояния в открытое.

19. Неотпирающий постоянный ток управления Iу.НОт — наибольший посто­янный ток в цепи управляющего электрода тринистора, не вызывающий его переключение из закрытого состояния в открытое.

20. Средняя рассеиваемая мощность РСР — сумма всех средних мощностей, рассеиваемых тиристором (указывается при определенной температуре окру­жающей среды или корпуса прибора).

Основные параметры, характеризующие процессы переключения (коммута­ции) динисторов и тринисторов из закрытого состояния в открытое и наобо­рот, следующие.

1. Время включения (динистора) tВкл — интервал времени между моментом, соответствующим уровню 0,1 амплитуды импульсного отпирающего напряжения, в моментом, когда прямой ток увеличивается до 0,9 его значения в открытом состоянии.

2. Время включения тринистора по управляющему электроду £у.Вкл — интер­вал времени между моментом, соответствующим уровню 0,1 амплитуды отпи­рающего импульса тока управления, и моментом, когда прямой ток увеличива­ется до 0,9 его значения в открытом состоянии.

3. Время выключения tвыкл — наименьший интервал времени между момен­том, когда прямой ток уменьшается до нуля (при переключении прибора из открытого состояния в закрытое), и моментом, когда повторно поданное прямое напряжение не возвращает прибор в открытое состояние.

4. Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (du3c/dt)Kp — наибольшее значение скорости нарастания прямого напряжения, которое не вызывает переключение прибора из закрытого состояния в открытое.



5. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (di0c/dt)Kp — наибольшее значение скорости нарастания прямого (анодного) тока в процессе отпирания, при которой тринистор остается в рабочем состоянии.

Тиристоры рассчитаны для работы в достаточно широком диапазоне темпе­ратур окружающей среды. Например, динисторы типа КН102 — на интервал ра­бочих температур от — 40 до +70° С, тринисторы КУ101 — от — 55 до +85° С, КУ104 и КУПО — от — 40 до +85°С, КУ201 и КУ202 — от --55 до +70°С, КУ203 — от — 60 до +120° С. Однако некоторые параметры тиристоров, как и других полупроводниковых приборов, несколько меняются в диапазоне темпера­тур. Характер изменения у всех типов тиристоров одинаков, и эти закономерно­сти полезно знать при практическом использовании приборов.

С повышением температуры окружающей среды несколько возрастают ток в закрытом состоянии и обратный ток, что приводит к некоторому снижению на­пряжения переключения и обратного пробивного напряжения, соответственно уменьшается значение удерживающего тока. При отрицательных температурах увеличивается минимальное значение отпирающего тока управления, а также вре­мя включения по управляющему электроду тринистора, несколько возрастает на­пряжение приборов в открытом состоянии.

Параметры динисторов типа КН102, а также некоторых типов тринисторов малой и средней мощностей, выпускаемых отечественной промышленностью, при­ведены в приложении. Данные других типов тринисторов читатель может найти в справочниках [3, 4].

Параметры тиристоров, приводимые в справочных данных, позволяют произ­вести выбор прибора в зависимости от статических и коммутационных характе­ристик устройства, для которого он предназначен. При этом следует иметь в ви­ду, что использование тиристоров при напряжениях и токах, равных предельно допустимым значениям, нежелательно, так как в этом случае любые случайные колебания режима работы устройств могут привести к повреждению приборов.

Глава 2

 



СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ  ДИОДНЫМИ

И ТРИОДНЫМИ ТИРИСТОРАМИ

4. Общие замечания

В большинстве устройств динисторы и тринисторы фактически выпол­ няют функции двухпозиционных переключателей, которые характеризуются большим сопротивлением в закрытом и малым — в открытом состояниях. Основ­ные требования, предъявляемые к приборам в таких устройствах: надежность сохранения закрытого или открытого состояния и быстрый переход из одного состояния в другое при подаче переключающих (управляющих) сигналов.

В тех устройствах, для которых время коммутации не имеет решающего начеяия, управление динисторами и тринисторами осуществляется выключате­лями, кнопками, контактами реле и т. д. В различных импульсных устройствах переключение приборов производится посредством коммутирующих импульсов с достаточно крутым фронтом.

Прежде чем рассмотреть способы управления приборами, отметим основные положения, общие как для динисторов, так и для тринисторов.

Если прибор относительно продолжительное время находится в закрытом состоянии под прямым напряжением, то такой режим называется ждущим. Для надежного сохранения закрытого состояния в ждущем режиме прямое (анодное) напряжение на динисторе или тринисторе (напряжение источника пи­тания Uпит) должно быть

Uпит<Uзс,                                                                                                 (2)

где изс — наибольшее постоянное прямое напряжение (приводится в справоч­ных данных), при котором гарантируется длительное пребывание прибора в за­крытом состоянии.

Значение Uзс в справочных данных указывается для определенной положи­тельной температуры окружающей среды.

Если закрытый динистор или тринистор подвержен действию наводок, бросков (всплесков) напряжения такой полярности, что прямое напряжение на нем возрастает, то исходное напряжение источника питания должно соответст­вовать условию

Uпит+Uном<Uзс.нп.

где Uпом — напряжение помехи, возникающее на приборе; U3с.нп — наибольшее мгновенное значение неповторяющегося напряжения на аноде прибора, не вы­зывающее его переключение.



Вообще, для повышения надежности условие (2) целесообразно выполнять с некоторым запасом; так, если принять UПит = 0,7 U3c, то надежность увеличит­ся в несколько раз [3]. Необходимо отметить, что в ждущем режиме через по­лупроводниковый прибор с четырехслойной структурой, а следовательно, и во внешней цепи протекает ток закрытого состояния прибора IЗс, нагружающий источник питания.

После кратковременной подачи включающего сигнала тиристор останется в проводящем состоянии, если прямой (анодный) ток IПр будет больше удержи­вающего тока Iуд, т. е. условием сохранения открытого состояния прибора яв­ляется неравенство

IпР>Iуд.                                                                                                    (3)

Ток через прибор при данном напряжении источника питания Uпит практи­чески определяется сопротивлением анодной нагрузки Ra:

IпР = IH — (Uпит — Uoc)/RH = UПИТ/Rн,                                                    (4)

где Uос — падение напряжения на открытом приборе; обычно Uос<Uпит.

Значение удерживающего тока используемого типа динистора или тринисто-ра ограничивает максимальное сопротивление анодной нагрузки RB mar, при ко­торой прибор может находиться в открытом состоянии. Действительно, исполь­зуя неравенство (3), получаем

Rн max < (Uпит —Uос)/Iуд.

Приборы малой мощности имеют удерживающий ток 1 ... 25 мА, а приборы средней мощности 100... 300 мА.

Итак, для длительного пребывания тиристора в открытом состоянии макси­мальный постоянный ток нагрузки Iнmах не должен превышать значение до­пустимого постоянного тока прибора в открытом состоянии Iос, а минимальный ток нагрузки Iн min быть больше удерживающего тока, т. е.

Iнтах<Iос; Iн min>Iуд.                                                                                   (5)

Для выключения динистора или тринистора необходимо каким-либо спо­собом кратковременно снизить прямой (анодный) ток до значения меньшего, яем значение удерживающего тока, т.


е. выполнить условие

IпР<Iуд.                                                                                                    (6)

В момент выключения тринистора ток управляющего электрода должен быть равным нулю.

 

5. Включение диодных тиристоров

Прямое напряжение (напряжение источника питания UПит) на закры­том динисторе в общем случае выбирается из условия (2). Обычно для этих приборов паспортное значение U3C соответствует Uзc=0,5 Uпрк.

Переключение динистора из закрытого состояния в открытое производится по аноду, т. е. необходимо тем или иным способом увеличить прямое напряже-ние так, чтобы оно превысило напряжение переключения:

UпР>Uпрк.

Следует иметь в виду, что значение напряжения UПрк для динисторов од-ной и той же группы может существенно (в 1,5... 2 раза) отличаться от одного образца прибора к другому.

Наиболее часто динисторы используются в устройствах, где их переключе­ние производится импульсами напряжения соответствующей полярности. В свя­зи с этим в справочных данных динисторов обычно вместо значения UПрк при­водится амплитуда импульсного отпирающего напряжения U0т.и, при которой гарантируется выполнение условия

Uпит + U0т.и > Uпрк

и, следовательно, надежное переключение данного типа динистора независимо от значения напряжения UПит, выбранного из условия (2).



Рис. 7. Способы переключения динисторов:

а — для отпирающего импульса положительной полярности; б — для отпирающего импульса отрицательной полярности; в — через импульсный трансформатор

Для динисторов типа КН102 значение Uот.и примерно в 3 ... 4 раза превы­шает напряжение ияс (см. приложение).

Переключение динисторов импульсами с достаточно коротким фронтом значительно повышает стабильность момента отпирания. Длительность отпираю­щих импульсов TOT обычно должна быть не менее нескольких микросекунд. На­пример, для динисторов типа КН102 — не менее 2 икс.

На рис. 7,а, б показаны способы переключения динисторов из закрытого со­стояния в открытое импульсами напряжения различной полярности с амплиту­дой Uвх.и>Uот.и.


Последовательное включение обычного диода VDit для ко­торого отпирающий импульс имеет обратное направление, увеличивает входное сопротивление устройств. При переключении динистора в проводящее состояние Обычный диод не препятствует прохождению тока через нагрузку. Такой диод выбирается по допустимому обратному напряжению в зависимости от«амшшту-ды входных импульсов Uвх.и и по максимальному току нагрузки.

Если амплитуда внешних входных импульсов недостаточна для переклгоче» ния динистора, то можно использовать схему с повышающим импульсным трансформатором Т1 (рис. 7,в). В этой схеме необходим диод VD2, который предотвращает прохождение тока от источника Uпит через нагрузку Rн и вто­ричную обмотку трансформатора, т. е. подключение нагрузки к источнику пи» тания при закрытом динисторе VS1.

6. Включение триодных тиристоров постоянным и импульсным токами

Тринисторы работают в режиме, при котором соблюдается условие (2), и переключаются из закрытого состояния в открытое током управляюще­го электрода.

По сравнению с динисторами тринисторы имеют значительные преимущест­ва, поскольку значение отпирающего тока управления не зависит от анодного напряжения и одинаковым управляющим сигналом можно коммутировать в широких пределах напряжения и токи, допустимые для выбранного типа прибо­ра. Кроме того, использование тринисторов более удобно и в схемном отноше­нии, так как не требуются какие-либо дополнительные меры для развязки це­пей входа (управления) и выхода (нагрузки).

В книге рассматриваются только тринисторы, у которых вывод управляю­щего электрода соединен с внутренней р-областью (рис. 1,а) и которые пере­ключаются из закрытого состояния в открытое при подаче на управляющий электрод сигнала положительной полярности по отношению к катоду.

Управляющий сигнал, отпирающий прибор, может представлять собой по­стоянный ток, полуволну (или часть ее) синусоидального напряжения или иметь форму импульсов сравнительно небольшой длительности.



Рассмотрим процесс включения тринистора при подаче в цепь управляю­щего электрода тока Iу>Iу.0т, начинающегося в некоторый момент времени fi. После подачи управляющего сигнала (тока) прибор переключается в откры­тое состояние не сразу — проходит некоторое время, прежде чем тринистор начинает открываться и ток через него достигает своего конечного значения, определяемого полным сопротивлением анодной цепи. На рис. 8 показаны от­пирающий сигнал (ток iу), длительность фронта которого для простоты при­нята равной нулю, и кривая нара­стания прямого тока, на которой отмечены две точки, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 установившегося зна­чения тока IПр.



Рис. 8. График, иллюстрирующий процесс включения тринистора

Время, необходимое для того, чтобы ток тринистора достиг уровня 0,1 уста­новившегося значения, называется вре­менем задержки по управляю­щему электроду tу.зд. Времен­ной интервал между уровнями 0,1 и 0,9 установившегося значения тока называ­ется временем нарастания прямого тока tНр. За точкой 0,9Iпр ток растет значительно медленнее, это — время распространения тока на всю проводящую площадь перехода. Уровни, по которым отсчитываются указанные интервалы, показаны на рис. 8.

Время включения по управляющему электроду тринистора £у.ВКл, которое приводится в справочных данных: tу.вкл = tу.вд+ tнр. Обычно tу.3д в несколько раз больше tНр и практически определяет время tу,вкл.

В течение времени задержки Iу.3д во внутренней р-области накапливается минимальный заряд, достаточный для развития лавинообразного процесса на­растания тока через структуру. В этом интервале времени через тринистор про­ходит небольшой ток, в основном определяемый током управляющего электро­да (16). Процесс включения среднего перехода J2 (рис. 1,а) только развивает­ся, и, если в течение промежутка времени tу.3д снять управляющий сигнал, три­нистор возвратится в закрытое состояние. Время задержки в некоторых преде­лах зависит от тока управления Iу: возрастает при уменьшении тока Iу и не­сколько сокращается при увеличении тока до значения импульсного отпираю­щего тока Iу.от.и.


При токах Iу>Iу.от.и задержка tу.зд практически не меняется.

В конце интервала времени tу. зя прямой ток достигает значения тока удер­жания, и в полупроводниковой структуре начинает развиваться лавинообразный процесс нарастания тока. Этот процесс развивается сначала в ограниченной-области среднего перехода J2, непосредственно прилегающей к управляющему электроду; поэтому на начальном этапе нарастания тока (начало интервала времени tНр) средний переход J2 проводит лишь в пределах небольшой зоны,, которая, однако, быстро расширяется и в конце концов захватывает всю пло­щадь перехода. При больших токах управления, имеющих фронт с крутизной несколько ампер в микросекунду, зона начальной проводимости среднего пере­хода увеличивается. Скорость распространения процесса включения в среднем (коллекторном) переходе зависит от конструкции управляющего электрода, структуры и составляет примерно 1 ... 10 мм/мкс.

Если скорость нарастания тока через открытый триниетор велика по срав­нению со скоростью расширения включившейся части перехода J2, то в послед­нем возникают точки с весьма высокой плотностью тока, что приводит к ло­кальному интенсивному разогреву этих участков полупроводниковой структуры, причем температура упомянутых участков может повыситься до температуры плавления кремния и разрушить прибор.

Наибольшая (критическая) скорость нарастания прямого тока указывается тз справочных данных некоторых типов тринисторов. Даже при небольших, но регулярно повторяющихся превышениях критического значения (di0cfdt)Kp в по­лупроводниковой структуре возникают остаточные изменения, и после некоторо­го времени работы прибор может выйти из строя.

Время распространения у тринисторов не нормируется. У приборов средней мощности, рассчитанных на работу с относительно большими токами (десятки ампер), время распространения обычно несколько превышает время нарастания, а у маломощных тринисторов — примерно равно ему. На время нарастания tar и время распространения значение управляющего тока практически не влияет.



Время включения по управляющему электроду £у.Вкл у маломощных три­нисторов составляет 1 ...2 мкс, у приборов средней мощности доходит до 10мкс. Приборы, специально предназначенные для импульсного режима работы, имеют меньшее значение ty.SKn. Например, у тринисторов КУ104 оно не превышает 0,3 мкс, а у тринисторов КУ216 0,15 мкс.

Для уверенного отпирания тринистора от источника постоянного тока зна­чения управляющего тока Iу и управляющего напряжения Uy выбираются из условий

                                                                                                                                                             (7)

тде Iу.от — постоянный отпирающий ток управления; Uу.0т — постоянное отпи­рающее напряжение управления; Ру — допустимая средняя мощность, рассеи­ваемая на управляющем электроде.

В цепях постоянного тока тринисторы могут отпираться различными спосо­бами. Конкретный способ управления во многом зависит от функций устройст­ва. Один из наиболее простых способов, при котором источник анодного пита­ния Uпит одновременно используется и для получения необходимого отпираю­щего тока в цепи управляющего электрода, иллюстрируется схемами на рис. 9,а — в.

В схеме рис. 9,а триниетор VS1 включается сразу при подаче анодного пи­тания, если суммарное сопротивление анодной нагрузки и резистора R1 обес­печивает ток управляющего электрода

Iy=UnHT/(RH+Rl)>Iy.OT.

После открывания прибора напряжение на аноде снижается до значения Uoc, все напряжение источника питания практически оказывается приложенным к на-трузке и в цепи управляющего электрода начинает протекать незначительный ток, равный Iу = Uoc/R1.

Для отпирания тринистора в устройстве, показанном на рис. 9,6, необходи­мо кратковременно нажать кнопку S1. Если при этом значение тока Iу, протекающего в цепи управления, удовлетворяет условию (7), то триниетор пере­ключится в открытое состояние. Обычно для надежного включения достаточна через цепь управляющего электрода пропустить ток Iу= (1 ... 1,1)Iу.от, для че­го сопротивление резистора R1 (рис. 9,6), ограничивающего ток управляющего электрода, рассчитывается по формуле



R1 = (0,9... 1)Uпит/Iу.от.

Для схемы рис. 9,а рассчитанное по формуле (8) сопротивление резистора Ri должно быть уменьшено на значение сопротивления анодной нагрузки RH.



Рис. 9. Способы включения тринисторов от источника постоянного то-ка

Резистор R2 (рис. 9,6) обеспечивает гальваническую связь управляющего электрода с катодом, что увеличивает устойчивость работы тринистора в жду­щем режиме (особенно при повышенной температуре окружающей среды). Ре­комендуемое сопротивление этого резистора указывается в справочных данных некоторых типов тринисторов. Обычно у маломощных приборов оно составляет несколько сотен ом, а у приборов средней мощности — примерно 50... 100 Ом.

В схеме рис. 9,в триниетор открывается и через нагрузку начинает про­ходить ток при размыкании выключателя S1. Такой способ отпирания тринисто­ра менее экономичен, чем два предыдущих, поскольку от источника питания по­стоянно потребляется ток, равный Unиm/R1; при закрытом приборе он протекает через замкнутые контакты Si, а при размыкании выключателя — через цепь уп­равляющий электрод — катод тринистора. Сопротивление резистора R1 рассчи­тывается по формуле (8).

Широкое распространение получили импульсные способы управления три-нисторами, которые являются наиболее экономичными и позволяют фиксировать момент включения прибора с высокой точностью. Фактически схема рис. 9,6 также иллюстрирует импульсный способ отпирания — длительность управляю­щего импульса равна времени, пока замкнуты контакты кнопки S1. При импульс­ном управлении используются отпирающие импульсы тока Iу.0т.и, амплитуда которых может быть значительно большей постоянного отпирающего тока Iу.от, но, несмотря на это, рассеиваемая средняя мощность на управляющем электро­де будет мала, поскольку включающие импульсы действуют в течение корот­кого интервала времени.

Соотношениями (7) можно руководствоваться и при импульсном управле­нии, если длительность отпирающих импульсов не менее примерно 100 мкс.


При более коротких импульсах ток управляющего электрода следует увеличивать. В справочных данных большинства типов тринисторов приводится значение ампли­туды отпирающих импульсов тока управления Iу.от.и, обеспечивающее пере­ключение прибора из закрытого состояния в открытое при любом анодном на­пряжении не выше максимально допустимого, а также значение импульсного отпирающего напряжения на управляющем электроде Uу.0т.м. Таким образом, при импульсном способе отпирания амплитуды импульсов тока управления IУ.И и управляющего напряжения Uу.и должны выбираться по соотношениям

                                                                                                                               (9)

где Iу.и max и Uу.и max — максимально допустимые импульсные значения тока и напряжения управляющего электрода соответственно; Р7.я — допустимая им­пульсная мощность на управляющем электроде.

Длительность импульсов Iу.от.н и Uу.от.и, как правило, указывается в спра­вочных данных тринисторов. Следует помнить, что длительность отпирающих (управляющих) импульсов ту всегда должна превышать время включения tвкл прибора, т. е. ту>tВкл. Минимальное значение ту зависит от характера анодной нагрузки, так как за время ту прямой ток должен успеть возрасти до уровня, большего тока удержания; при чисто активной нагрузке достаточно иметь ту=(1,5... 2)tу.вкл.

Для открывания тринисторов приемлемы импульсы положительной поляр­ности любой формы. Однако в тех случаях, когда необходимо получить мини­мальное и стабильное (в диапазоне температур) время включения, а также уменьшить рассеиваемую на приборе мощность при переключении, следует ис­пользовать отпирающие импульсы с амплитудой, близкой к значению Iу.и max, и крутизной фронта около 3... 5 А/мкс. При таких параметрах управляющего импульса и при постоянной окружающей температуре нестабильность момента отпирания от импульса к импульсу не превышает сотых долей микросекунды.

Некоторые способы импульсного отпирания тринисторов показаны на рис. 10.


В схеме рис. 10, а емкость разделительного конденсатора Ci должна быть такой, чтобы к концу действия включающего импульса ту в цепи управляюще­го электрода поддерживался бы достаточный для открывания прибора ток.

Обычно емкость конденсатора С1 выбирается в пределах 0,01 ... 0,05 мкФ. Диода VDi предотвращает появление отрицательного импульса на управляющем элект­роде при разряде конденсатора после окончания импульса ту.



Рис. 10. Способы включения тринисторов импульсным сигналом

Связь источника включающих импульсов с управляющим электродом три-ямстора часто выполняется через импульсный трансформатор (T1 на рис. 10,б). Трансформаторная связь имеет ряд преимуществ: обеспечивает развязку уп­равляющего электрода тринистора с источником управляющих импульсов (тран­зисторный усилитель VTi на рис. 10,6); позволяет изменять полярность и повы­шать (или уменьшать) амплитуду импульсов, подаваемых на управляющий? электрод; обеспечивает гальваническую связь управляющего электрода с като­дом прибора.

Для ограничения амплитуды тока Iу.и до безопасного для тринистора значе­ния в цепь управляющего электрода (при необходимости) следует включать ре­зистор (Ri на рис. 10,а,б), сопротивление которого рассчитывается по формуле-

                                                                                                                          (10)

где Uвх.и — амплитуда входного управляющего импульса.

В ряде устройств необходимо обеспечить включение тринистора при неко­тором фиксированном уровне входного сигнала. Для этого в цепь управления-тринистора можно последовательно включить ключевой полупроводниковый при­бор (стабилитрон, динистор), имеющий постоянный порог срабатывания. При­мер цепи управления с использованием стабилитрона VD{ показан на рис. 10.в. Тринистор VS1 с цепью управления такой структуры всегда будет включаться в те моменты, когда внешнее входное напряжение Uвх.и достигнет напряжения-пробоя Ucт стабилитрона VD1. Последовательный резистор R} ограничивает ток управляющего электрода (ставится при необходимости).



Параметры стабилитрона должны обеспечивать требуемый режим цепи уп­равления тринистора, т. е. ток стабилизации Iст и напряжение стабилизации-Uст должны удовлетворять условиям

                                                                                                          (11)

где UR1=IуR1 — падение напряжения на ограничивающем резисторе в цепи уп­равления.

В цепях управления тринисторов малой мощности можно использовать, на­пример, стабилитроны типов Д814А-Б, КС156А, КС168А и др., а в цепях три-нисторов средней мощности — типа Д815Д-Ж, а также динисторы типа КН102А-В.

В качестве источников, формирующих управляющие импульсы амплитудой-до нескольких ампер и длительностью примерно до 10...50 мкс, могут быть использованы различные релаксационные генераторы на обычных и однопере-ходных транзисторах (см. § 8). Часто импульсное управление тринисторами осуществляется с помощью ЯС-цепей, в которых в качестве включающего сиг­нала используется импульс тока разряда конденсатора через цепь управляюще­го электрода.

Если в устройстве, где используется маломощный тринистор, в цепи уп­равления возникают импульсные помехи, амплитуда которых превышает значе­ние неотпирающего импульсного напряжения управления Uу.нот.и, то может произойти ложное включение прибора. Для повышения помехоустойчивости не­обходимо свести к минимуму индуктивные и емкостные связи между силовой и управляющей цепями, что достигается рациональным монтажом цепи управле­ния. Хорошую помехозащищенность имеет цепь управления тринистора, пока­занная на рис. 10,в, если уровень помехи меньше напряжения пробоя стабили­трона, т. е. uпом<Uст.

 

7. Включение триодных тиристоров переменным током.

Фазовое управление

Управление тринисторами в цепях переменного тока имеет ряд осо­бенностей. Основное условие, которое необходимо выполнять при любом сно-собе управления приборами, состоит в том, что отпирающие сигналы должны подаваться на управляющий электрод только в те моменты, когда напряжение на аноде положительное относительно катода, т.


е. управляющие сигналы долж­ны быть синхронизированы с частотой сети переменного тока. Кроме того, на­пряжение на управляющем электроде никогда не должно становиться отрица­тельным по отношению к катоду, если такой режим не разрешен для выбран­ного типа прибора. В устройствах, где есть вероятность возникновения отрица­тельного напряжения на управляющем электроде тринистора, для ограничения этого напряжения следует использовать последовательно или параллельно включенные диоды.



Рис. 11. Отпирание тринисторов в цепях переменного тока и способы фазового управления:

а — схема с регулированием угла задержки до 90; б — графики, иллюстрирующие принцип регулирования; в — схема с фазосдвигающей RС-цепью

На рис. 11,а показан простой способ получения управляющего сигнала, при котором, как и на постоянном токе (рис. 9,а), используется напряжение источ­ника анодного питания. Управляющий электрод тринистора через постоянный резистор RI и переменный R2 подсоединен к аноду, и таким образом обеспечивается нужная полярность напряжений на аноде и на управляющем электро­де относительно катода. Действительно, когда на аноде действует положитель­ная полуволна напряжения источника питания u=Umsinwt, то потенциал уп­равляющего электрода относительно катода также положителен. При закорочен­ном резисторе R2 тринистор отпирается в течение каждого положительного по­лупериода напряжения на аноде в момент, когда мгновенное значение анодного напряжения «Пр достигает значения, при котором будет выполняться условие



Если сопротивление резистора Ri сравнительно невелико, то прибор включается в самом начале положительного полупериода анодного напряжения и остается открытым до конца этого полупериода. При открытом приборе напряжение на его аноде падает до значения U0c, напряжение источника питания оказывается приложенным к нагрузке, управляющий ток резко уменьшается и становится равным Iy = Uoc/Ri (рис. 11,б).

Диод VDi защищает цепь управляющего электрода тринистора от обратно­го напряжения при отрицательных полупериодах напряжения на аноде.


Мак­ симально допустимое обратное напряжение этого диода должно превышать, амплитудное значение напряжения источника питания Um.

Если во время положительного полупериода напряжения на аноде в ин­тервале 0... 180° изменять момент включения тринистора, то ток через прибор и нагрузку будет протекать только в течение какой-то определенной части по­лупериода (рис. 11,6). Так, при небольшой задержке прибор может быть от­крыт в начале положительного полупериода напряжения, при больших задерж­ках — в любой точке полупериода и, наконец, — в самом его конце. Тем самым можно регулировать средний за период ток, проходящий в нагрузке, от макси­мального значения почти до нуля. Такой способ управления получил название-фазового регулирования (или фазового управления), посколь­ку при этом изменяется сдвиг фазы между началом положительного полуперпо-да анодного напряжения и началом протекания прямого тока (рис. 11,6). Обыч­но фазовый сдвиг ф, называемый углом отпирания или углом за­держки, выражается в градусах или радианах. В реальных устройствах зна­чение ф может регулироваться примерно от 5 до 170°.

Простейшая схема устройства, позволяющего производить фазовое управ­ление тринистором, приведена на рис. 11,а. Здесь изменение угла отпирания осу­ществляется переменным резистором R2. Сопротивление резистора R1 должно обеспечивать включение тринистора в самом начале полупериода (резистор R?., закорочен) и может быть рассчитано по формуле

                                                                                                                           (12)

где Uт — амплитуда напряжения источника питания.

Если резистор Ri рассчитан по формуле (12), то при R2 = Q тринистор отпи­рается с углом задержки ф=5°. При включении резистора R2 и последующем увеличении его сопротивления тринистор будет открываться при больших зна­чениях анодного напряжения, т. е. с большими углами задержки ф, пока, нако­нец, при некотором значении сопротивления R2 прибор не откроется в тот мо-



мент, когда анодное напряжение станет равным амплитудному значению напря­жения источника. Управляющий ток в этот момент

Iу = Um/(R1 + R2)>Iу.от

и угол задержки ф станет равным 90°. Очевидно, что большего угла задержки в цепи, показанной на рис. 11,а, получить невозможно. Поэтому такое устрой­ство позволяет изменять угол задержки примерно от 5 до 90° и обеспечивает возможность регулировки среднего тока в нагрузке в пределах 100... 50% мак­симального значения.

Более широкие пределы регулирования можно получать, если на управляю­щий электрод подавать напряжение, сдвинутое по фазе относительно анодного напряжения. Пример простой схемы с фазосдвигающей ЯС-цепью показан на рис. 11,в. Напряжение на управляющий электрод тринистора VSi подается с конденсатора С1 через диод VD1. При отрицательном полупериоде анодного на­пряжения конденсатор С1 через диод VD2, резистор R{ и сопротивление нагруз­ки Rн заряжается до напряжения Um (полярность этого напряжения показана на схеме в скобках). Во время положительного полупериода конденсатор C1 че­рез резисторы Ri, Rz и сопротивление нагрузки перезаряжается от напряжения — Uт до некоторого положительного напряжения Uc1 (полярность которого на рис. 11,0 показана без скобок), достаточного для открывания тринистора. Вре­мя перезаряда конденсатора определяется постоянной времени (R1+R2)C1. Из­меняя постоянную времени (с помощью переменного резистора R2), можно в широких пределах регулировать момент включения тринистора относительно начала положительного полупериода анодного напряжения, т. е. менять угол задержки ф. Пределы изменения угла задержки могут быть примерно 5 ... 170°, что позволяет регулировать средний ток в нагрузке от максимального значения почти до нуля.

В рассмотренных схемах (рис. 11,а, в) используется так называемый ампли­тудно-фазовый способ управления. При таком способе на управляющий элект­род тринистора поступает напряжение, которое относительно медленно достига­ет уровня, необходимого для включения прибора.


Амплитудно- фазовый способ управления характеризуется невысокой стабильностью момента включения три­нистора (угла отпирания), так как этот момент зависит от минимального зна­чения отпирающего тока Iу.0т min, который, в свою очередь, заметно изменяется при колебаниях температуры и смене тринистора.

Значительно лучшую стабильность угла отпирания имеет импульсно-фазо-вый способ управления, при котором включение тринистора осуществляется им­пульсами, задержанными относительно начала положительного полупериода напряжения на аноде. Для формирования управляющих импульсов использует­ся комбинация из фазосдвигающей RС-цепи и ключевого прибора (динистора, стабилитрона и др.). Некоторые схемы такого типа описаны в следующих гла­вах.

 

8. Генератор управляющих импульсов на однопереходном транзисторе

В цепях управления тринисторами широко используются различные ге­нераторы импульсов. Простые и надежные генераторы управляющих импульсов могут быть выполнены на однопереходных транзисторах (ОПТ). Такие генераторы используются во многих устройствах, которые описываются в следующих главах, поэтому рассмотрим их работу подробнее.

Однопереходным транзистором называют трехэлектродный полупроводни­ковый прибор, обладающий входной вольт-амперной характеристикой с ярко вы­раженным участком отрицательного сопротивления (рис. 12,с). Однопереходный транзистор, схематическое устройство которого показано на рис. 12,6, имеет три вывода: эмиттер (Э), база 1 (Б,) и база 2 (Б2). Однопереходные транзисто­ры изготавливаются из кремниевого стержня n-типа, на торцах которого сделаны выводы Б1 и Б2. На некотором расстоянии от конца стержня с выводом Б2 со-вдают полупроводниковую область р-типа, и, таким образом, образуется р-n пе­реход, единственный в такой структуре, откуда и происходит название данного прибора. Вывод от р-области служит эмиттером Э. На рис. 12,в показано ус­ловное графическое обозначение ОПТ.

Если на выводы Б1 и Б2 подать напряжение UБ1Б2 , полярность которого показана на рис. 12,6, а напряжение на эмиттере Uэ установить равным нулю, то переход эмиттер — база 1 окажется включенным в обратном направлении и вход ОПТ будет находиться в закрытом состоянии.


В таком режиме участок стержня л-типа между базами Б{ и Б2 обладает сопротивлением RБ1Б2 в не­сколько килоом и имеет линейную вольт-амперную характеристику, как обычный резистор. При подаче положительного напряжения на эмиттер Uэ>0 запираю­щее напряжение на переходе уменьшается, и при некотором определенном на­пряжении Uэ=Uэвкл переход включается в прямом направлении и сопротив­ление между эмиттером и базой 1 уменьшается до 5... 20 Ом. Вход ОПТ пе­реключается в открытое состояние. Для открывания прибора эмиттерный ток должен быть не менее определенного значения, которое называется т о к о ш включения IЭвкл (рис. 12,а).



Рис. 12. Однопереходный транзистор:

в — входная вольт-амперная характеристика; б — принцип устройства; в — основная схема релаксационного генератора на однопереходном транзисторе; г — формы кривых напряже­ний на эмиттере и базе 1

Отпирающее напряжение на эмиттере Uэ Вкл изменяется пропорционально междубазовому напряжению:

UЭвкл = n UБ1Б2,

где n — коэффициент передачи, который не зависит ни от напряжения пита­ния, ни от окружающей температуры и определяется только конструкцией са­мого прибора. Чтобы вновь закрыть однопереходный транзистор (при наличии нагрузки в цепи базы 1), необходимо уменьшить эмиттерный ток до некоторого значения, называемого током выключения IЭ выкл.

Отечественной промышленностью выпускаются однопереходные транзисторы типов КТ117А — КТ117Г. Основные параметры этих приборов:

Междубазовое напряжение UБ1Б2......<30 В

Коэффициент передачи n.........0,5...0,85

Ток включения 1Э ВКЛ..........0,5...20 мкА.

Междубазовое сопротивление RБ1Б......4...9 кОм

Ток выключения IЭ выкл .........1...12 мА

Средний ток эмиттера IЭ........<50 мА

Амплитуда имлульса тока эмиттера IЭи . . . . sg: I A

В цепях управления тринисторами ОПТ работает в схеме релаксационно­го генератора (рис. 12,в), принцип действия которого сводится к следующему. После подачи напряжения питания Unm конденсатор Ci начинает заряжаться через резистор R1. Напряжение с конденсатора, которое нарастает по экспо­ненте, подается на эмиттер ОПТ.


В момент, когда это напряжение достигает порога отпирания uс1 = UЭвкл, ОПТ переключается в открытое состояние и конденсатор C1 разряжается через цепь эмиттер — база 1 и резистор Rs- По мере разряда конденсатора эмиттерный ток и напряжение на эмиттере ОПТ уменьшаются. Когда так разряда конденсатора снижается до значения Iэ выкл, ОПТ выключается. Затем конденсатор начинает вновь заряжаться, и цикл повторяется.

Напряжение на эмиттере «э будет иметь пилообразную форму, а на ре­зисторе Rз, включенном в цепь базы 1, получаются импульсы положительной полярности (рис. 12,г) с амплитудой I3Rs, которые используются для управле­ния тринистором. Резистор R3 также ограничивает ток разряда конденсатора Ci до безопасного для ОПТ значения.

Сопротивление резистора Rt должно обеспечивать автоколебальный режим,-генератора и выбирается из условия

                                                                                                                      (13)

Если пренебречь временем разряда конденсатора Ci, то период повторения импульсов генератора будет определяться продолжительностью заряда конден­сатора до напряжения UЭвкл и рассчитывается по формуле

                                                                                                                                                 (14)

При значении n = 0,63, которое может считаться примерно номинальным, получим T=R1C1.

Генераторы с однопереходными транзисторами попользуются для форми­рования импульсов с частотами повторения до нескольких десятков килогерц.

Если выход генератора соединен непосредственно или через резистор с уп­равляющим электродом тринистора, то сопротивление резистора R3 должно ог­раничиваться таким образом, чтобы падение напряжения на нем, обусловлен­ное междубазовым током при закрытом ОПТ, не превышало неотпирающего (.напряжения управления тринистора, т. е. не вызвало бы ложного включения ярибора. С учетом этого требования сопротивление резистора R3 следует вы­бирать из условия



                                                                                                                               (15)

Обычно сопротивление резистора Rs выбирается равным примерно 100 Ом.

Если выполнить условие (15) не удается, то импульс с генератора может быть подан на управляющий электрод тринистора с помощью емкостной или трансформаторной связи. В последнем случае первичная обмотка импульсного трансформатора включается в цепь базы 1 вместо резистора R3.

Коэффициент передачи т], а следовательно, и напряжение включения UЭвкл мало зависят от температуры. Однако если необходима высокая стабильность напряжения включения, то для термостабилизации UЭвкл в диапазоне темпе­ратур последовательно в цепь базы 2 включается резистор (R2 на рис. 12,«). Сопротивление этого резистора можно определить из соотношения

                                                                                                                             (16)

Обычно сопротивления резисторов R2 и R3 значительно меньше междуба­зового сопротивления (т. е. R2<RБ1Б2 и R3<RБ1Б2), и поэтому напряже­ние включения почпрежнему линейно зависит лишь от междубазового напря­жения однопереходного транзистора Uэ вкл=nUБ1Б2 =nUпит.

В настоящее время освоен выпуск гибридных тиристоров типа КУ106. У этих приборов в общем корпусе смонтированы маломощный тринистор и одно-переходный транзистор. База 1 однопереходного транзистора непосредственно соединена с управляющим электродом тринистора внутри корпуса. Парамет­ры гибридных тиристоров КУ106 приведены в приложении.

 

9. Скорость нарастания прямого напряжения

Если прямое напряжение на закрытом полупроводниковом приборе с четырехслойной структурой нарастает со слишком большой скоростью du3C/dt, то прибор может переключиться в проводящее состояние без управляющего сигнала, т. е произойдет неконтролируемое открывание. Переключение в этом случае происходит при прямом напряжении, меньшем чем UПрК. Такое явление называется переключением за счет «эффекта du3C/dt».



Самопроизвольное переключение за счет «эффекта du3cfdt» может произой­ти, если в устройствах (особенно импульсных), где используются тиристоры, в Чепях анодного питания возникают ревкие скачки (всплески) напряжения, импульсные помехи, а также различного рода колебания в цепях переменного то­ка. Кроме того, такое переключение может наблюдаться и при переходных ре­жимах, например в момент включения источника питания при резкам возра­стании напряжения на аноде закрытого прибора. Чувствительность приборов к «эффекту du3C/dt» возрастает с увеличением температуры.

Неконтролируемое переключение за счет «эффекта du3c/dt» является неже­лательным явлением, нарушающим нормальную работу устройств. Отметим, что «эффект du3c/dt», как полезный, используется при импульсном открывании ди-нисторов, в то же время для тринисторов такое переключение, неоднократно повторяющееся, может послужить причиной выхода приборов из строя.

Рассмотрим механизм этого явления. На рис. 13,а изображен полупровод­никовый прибор с четырехслойной структурой с учетом емкости Сг среднего пе­рехода, которую, как это видно из рис. 13,6, можно представить суммой емко­стей коллекторных переходов составляющих транзисторов. Как отмечалось ра­нее, при закрытом приборе прямое напряжение практически оказывается при­ложенным к среднему переходу J2, включенному в обратном направлении. При возрастании анодного напряжения емкость С2 заряжается током icz, протека­ющим через два крайних перехода J1 и J3, включенных в прямом направлении. Емкости переходов J1 и J3 шунтируются соответственно малыми сопротивлени­ями этих переходов и по этой причине на рис. 13,с, б не показаны. Ток заря­да емкости С2 одновременно является током базы обоих составляющих тран­зисторов (рис. 13,е) и играет ту же роль в открывании, что и ток управления. При некотором значении зарядного тока может произойти возрастание коэффи­циентов передачи а, которое будет достаточным для перехода транзисторов VT1 и VT2 в режим насыщения, т.


е. для переключения четырехслойной полу­проводниковой структуры в открытое состояние.

Зарядный ток емкости С2 :



зависит от емкости С2 и от скорости нарастания напряжения du3c/dt на этой емкости, т. е. на аноде прибора. Следовательно, достаточно быстрое нарастание анодного напряжения даже при относитель­но небольшом прямом напряжении может довести ток ic2 до критического значения и включить прибор.



Рис. 13. Схематическое устройство полупроводникового прибора с четырехслой-пой структурой с учетом емкости среднего перехода (а) и представление при­бора в виде двухтранзисторной схемы (б, в)



Рис. 14. Схема подсоединение конденсатора для уменьшений значения du3C/dt на аноде три -нистора

В некоторых типах тринисторов влия­ние «эффекта du3C/dt» снижают путем шун­тирования эмиттерного перехода в самой полупроводниковой структуре, что приводит к возрастанию значения тока управления Iу.от.

В ряде случаев действие «эффекта duac/dt» удается уменьшить схемными спо­собами. Для снижения скорости нарастания анодного напряжения между анодом и ка­тодом тринистора, если это возможно, под­ключается небольшой конденсатор. Способ подсоединения такого конденсатора Ci по­казан на рис. 14. При возрастании напряжения на аноде тринистора конденсатор C1 заряжается через сопротивление нагрузки Ra и диод VDit и тем самым сни­жается скорость нарастания прямого напряжения, которая в этом случае опре­деляется постоянной времени RнC1.

При известном значении сопротивления нагрузки Rs емкость конденсатора C1 можно определить из формулы



После открывания тринистора VS1 конденсатор С1 разряжается через не­го и резистор R1, который ограничивает разрядный ток до допустимого для тринистора значения. Сопротивление резистора R1 выбирается из условия

R1>UПИТ(Ioc.n—IH)                                                                                   (17)

где Iн — ток нагрузки.

Провода, соединяющие конденсатор С1, диод VD1 и тринистор VS1, долж­ны быть по возможности короче, чтобы свести к минимуму влияния паразит­ных индуктивностей.



Для некоторых типов тринисторов влияние емкостного тока удается сни­зить включением конденсатора емкостью примерно 1000... 2000 пФ между уп­равляющим электродом и катодом прибора (на рис. 14 конденсатор С' пока­зан штриховой линией).

Устойчивость работы тринистора к «эффекту du3C/dt» (особенно при повы­шенных температурах) улучшается, если сопротивление по постоянному току внешней цепи между управляющим электродом и катодом не превышает нес­кольких десятков ом. Наконец, для повышения устойчивости на управляющий электрод можно подать небольшое обратное смещение (обычно до 1 В), если это допустимо для используемого типа прибора.

В справочных данных тринисторов, предназначенных для импульсного ре­жима работы, указывается критическая скорость нарастания напряжения в за­крытом состоянии (например, для приборов типа КУ203 она составляем 20 В/мкс, для приборов типа КУ216 50 В/мкс), которая не должна превш-шаться при использовании приборов.

 

10. Выключение диодных и триодных тиристоров

Под процессом выключения тиристора понимают переход прибора из открытого (проводящего) состояния в закрытое (непроводящее). Однако время спада прямого тока до нуля не определяет еще полного восстановления закры­того состояния прибора. До повторной подачи на анод полного прямого на­пряжения необходима дополнительная выдержка, чтобы концентрация остаточ­ных зарядов в базовых областях снизилась до минимума. Таким образом, дли­тельность процесса выключения (закрывания) тиристора разделяется на два интервала: время спада tc прямого тока до нуля и время восстановления за­крытого состояния tB. Время восстановления tв определяется скоростью расса­сывания остаточных зарядов в базовых областях и зависит от ряда факторов. Так, например, время восстановления увеличивается с повышением окружающей температуры (температуры перехода), с ростом прямого тока через прибор пе­ред моментом его выключения, при увеличении скорости опадания прямого то­ка, т.


е. уменьшении времени tc. При подаче на прибор в момент выключения обратного напряжения время восстановления несколько сокращается. Время выключения tвыкл, которое приводится в справочных данных дини-сторов и тринисторов, определяет время восстановления запирающих свойств приборов в прямом направлении, т. е. tвыкл = tс+tв. На прибор в течение про­межутка t<tвыкл нельзя повторно подавать прямое напряжение, поэтому при использовании приборов в различных устройствах время, которое предоставля­ется для восстановления их управляемости, должно быть всегда больше, чем время выключения.

Время выключения у маломощных приборов составляет примерно 3... 40 мкс, а у приборов средней мощности 15... 150 мкс.

Продолжительность процесса выключения наряду со временем включения характеризует быстродействие приборов, а так как время выключения пример­но в 5... 30 раз больше времени включения, то именно значение £Выкл и огра­ничивает практически максимальную частоту коммутации, при которой прибор может быть использован.

Для выключения динисторов и тринисторов необходимо выполнить усло­вие (6), т. е. перевести прибор в режим, при котором ток через прибор стано­вится меньше удерживающего тока или равным нулю (для тринисторов в этом случае управляющий ток Iу должен быть равен нулю).

Существуют два основных ,метода выключения приборов:

1) снижением прямого тока до значения, меньшего Iуд, или размыканием внешней цепи;

2) кратковременной подачей на анод прибора обратного напряжения. Способы выключения приборов в устройствах, питающихся от источника постоянного напряжения, показаны на рис. 15. Первый способ выключения ил­люстрируется схемами рис. 15,а — г, второй способ — схемой рис. 15Д

Ток через прибор может быть прерван размыканием цепи или шунтирова­нием прибора. В схеме рис. 15,а выключение тринистора происходит при крат­ковременном размыкании анодной цепи, что осуществляется нажатием кноп­ки St.



Рис. 15. Способы выключения тринисторов в цепях постоянного тока:



а — размыканием анодной цепи; б — шунтированием прибора; в — с помощью шунтирующего транзистора; г — увеличением сопротивления в анодной цепи; д — обратным напряжением на коммутирующем конденсаторе

В схеме рис. 15, 6 тринистор выключается при нажатии шунтирующей кноп­ки Si, через контакты которой при этом проходит практически весь ток нагруз­ки, и анодный ток прибора становится равным нулю. Функции шунтирующей кнопки может выполнять транзистор, открываемый током базы на время t>tвыкл, необходимое для выключения тринистора (рис. 15,в). Для этой цели подходит транзистор, позволяющий кратковременно пропустить полный ток на­грузки и имеющий рабочее напряжение коллектор — эмиттер не менее чем напряжение используемого источника питания. Схема рис. 15,в особенно удоб­на для дистанционного выключения маломощных приборов.

При кратковременном нажатии кнопки в схеме, приведенной на рис. 15,г, последовательно с нагрузкой Ra включается резистор Ri, сопротивление кото­рого выбирается так, чтобы выполнялось условие Unuт/(Rи+R1) <Iуд, и трини­стор выключается.

Необходимо заметить, что в схемах рис. 15,а — г при отпускании кнопки возникают относительно высокие значения du3C/dt на аноде прибора, что мо­жет вызвать самопроизвольное возвращение прибора в проводящее состояние.

При втором методе выключения к электродам анод — катод полупровод­никового прибора с четырехслойной структурой необходимо кратковременно приложить обратное напряжение, получаемое от вспомогательного источника. Такой метод называется принудительной коммутацией, и для его реализации используется дополнительное коммутирующее устройство. Обычно источником обратного напряжения служит предварительно заряженный конден­сатор (называемый коммутирующим), который чаще всего подключается парал­лельно выключаемому прибору. Существует несколько способов подачи обрат­ного напряжения, один из них, наиболее распространенный, показан на рис. 15Д

После включения тринистора VSi через него проходит прямой ток (ток нагрузки) Iи = Iпр = Uпит/Rи, а коммутирующий конденсатор С„ через резистор RI и открытый тринистор VS1 заряжается практически до напряжения источ­ника питания Uc=Uпит (полярность напряжения на конденсаторе обозначена на рисунке).


Продолжительность заряда конденсатора с момента включения тринистора составляет примерно 3R1CK. Если теперь нажать кнопку S1, то по­ложительная обкладка конденсатора окажется подключенной к катоду, а от­рицательная — к аноду.

Таким образом, к прибору прикладывается обратное напряжение U0бР= Uпит. В цепи, образованной конденсатором Ск, замкнутыми контактами кнопки S1, тринистором VS1, возникает разрядный ток ic, который проходит че-рез прибор в обратном направлении. Заряженный конденсатор представляет со-бой источник отрицательного напряжения с низким внутренним сопротивлени­ем, что обеспечивает возможность прохождения достаточно большого обрат­ного тока. Когда результирующий ток через тринистор становится меньше удерживающего тока, т. е. (IПр — ic) <Iуд, прибор выключается. Остаточное отрицательное напряжение на конденсаторе несколько сокращает время вос­становления закрытого состояния прибора. Вместо кнопки в такой схеме обыч-но используется второй тринистор, на который подается сигнал выключения. В. рассмотренной схеме следует применять приборы, имеющие гарантированное обратное напряжение U0бр>Uпит.

Емкость коммутирующего конденсатора Ск должна быть достаточно боль­шой, чтобы обратное напряжение на приборе сохранялось в течение времени Rвыкл, необходимого для его выключения. Для случая активной нагрузки ем­кость конденсатора (в микрофарадах) может быть найдена из соотношения

Ск>1,45Iпрtвыкл/Uпит,                                                                              (18)

где IПр — прямой ток (ток нагрузки) в момент коммутации, А; £Выкл — вре­мя выключения прибора, икс; UПит — напряжение источника питания, В.

Показанные на рис. 15 способы выключения тринисторов также примени­мы и для выключения динисторов.

В устройствах, работающих в цепях переменного тока, для выключения три-нисторов (или динисторов) не требуется специального сигнала. Приборы вы­ключаются автоматически за счет естественного изменения полярности напря­жения на аноде в начале каждого отрицательного полупериода напряжения.


После выключения на анод прибора в течение отрицательного полупериода по­ддается обратное напряжение (рис. 11,6), что повышает устойчивость работы три-нисторов в устройствах на переменном токе. Такой метод выключения называ­ется естественной коммутацией, его простота и удобство являют­ся одними из основных причин широкого применения тринисторов в различ­имых цепях переменного тока.

 

11. Последовательное соединение приборов

В ряде устройств, в которых напряжение источника питания превы-шает наибольшее постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии одно­го прибора, используется последовательное соединение нескольких (обычно од­нотипных) приборов (рис. 16). При последовательном соединении приборов за­крытое состояние всей цепочки сохраняется, если напряжение на каждом при­боре не превосходит его напряжения U3c, т. е. при m-м числе приборов долж-но выполняться условие

Uпиm/m<UЗC.                                                                                          (19)

Токи в закрытом состоянии и емкости р-n переходов полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой одного и того же типа могут сущест­венно различаться, поэтому при их последовательном соединении для вырав­нивания напряжений на отдельных приборах необходимо применять выравни­вающие цепи.

В ждущем режиме напряжение источника питания на каждом из последо-;аательно соединенных приборов будет распределяться обратно пропорционально их токам в закрытом состоянии: наибольшее падение напряжения оказыва­ется на приборе, имеющем наименьший ток в закрытом состоянии. Для вырав­нивания напряжений на приборах применяют резисторы, которые подключа­ются параллельно каждому прибору (резистор Rm на рис. 16).



Рис. 16. Схемы последовательных соединений динисторов (а) и тринисторов (б, в):

а — отпирание цепочки динисторов импульсным сигналом; б — отпирание цепочки тринисто­ров с помощью импульсного трансформатора Т1; в — отпирание цепочки тринисторов с по-мощью конденсаторов связи (С1, С2)



Сопротивление шунтирующих резисторов рассчитывают по формуле



где Uзс — наибольшее постоянное прямое напряжение прибора в закрытом со-Стоянии; Uпит — напряжение источника питания; IЗC — ток в закрытом состоя­нии; m — число последовательно соединенных приборов. Шунтирующие рези­сторы вносят дополнительные потери; поэтому сопротивления их желательно выбирать как можно большими. Мощность, рассеиваемая на каждом резисторе Rm, определяется по формуле



Резисторы Rш обеспечивают равномерное распределение напряжения на приборах только в ждущем (установившемся) режиме. В моменты коммута­ции (переключения из открытого состояния в закрытое) цепочки приборов к ней прикладывается прямое напряжение, которое может иметь достаточно крутой фронт нарастания. При этом напряжения на отдельных приборах распределя­ются обратно пропорционально емкостям р-n переходов каждого из них. На приборе, имеющем минимальную емкость, возникает перенапряжение, которое может привести к переключению этого прибора, а затем и всей цепочки в от­крытое состояние. Различие в емкостях р-n переходов может быть устранено, «ели параллельно каждому прибору подключить конденсатор небольшой емко­сти (конденсаторы Сь С2 на рис. 16,6). Для приборов малой и средней мощностей емкость этого конденсатора составляет примерно 500... 2000 пФ. По­следовательно с каждым конденсатором для ограничения разрядного тока через прибор целесообразно включать резистор (резисторы Ri, R2 на рис. 16,6), соп­ротивление которого определяется по формуле (17) и должно выбираться воз­можно меньшим, чтобы не снижать эффективность действия конденсаторов, вы­равнивающих напряжения на последовательно соединенных приборах в переход­ных режимах.

Рассмотрим переключение последовательной цепочки динисторов (рис. 16,а). В исходном состоянии напряжение на каждом приборе соответствует ус­ловию (19), и вся цепочка находится в закрытом состоянии. Переключение це­почки в открытое состояние может быть осуществлено при подаче переключа­ющего импульса на один из динисторов, например на VS3. Амплитуда этого импульса Uвх.и должна удовлетворять условию



(UBX.И+UПИТ/m) >UОТ.И.

Когда динистор VS3 переключается в открытое состояние, напряжение источ­ ника питания перераспределяется между остальными приборами и к каждо­му из них оказывается приложенным напряжение UПит/(m — 1). Прибор из це­почки, имеющий минимальное напряжение Uпрк, меньше чем Uпит/(т — 1), сле­дующим переключится в открытое состояние. Затем процесс повторяется и вся цепочка динисторов переключается в открытое состояние.

Существуют два способа включения последовательно соединенных трини-сторов:

1) яри одновременной подаче отпирающих импульсов на управляющий электрод каждого прибора;

2) при подаче отпирающего импульса на управляющий электрод только од­ного прибора.

Первый способ, при котором внешние отпирающие импульсы подаются на управляющие электроды каждого тринистора, иллюстрируется схемой рис. 16,6. Для такого способа управления необходим импульсный трансформатор T1 с количеством изолированных вторичных обмоток, равным числу последователь­но соединенных приборов. Изоляция между обмотками должна выдерживать напряжение не меньшее чем UПит. В цепь управления каждого тринистора сле­дует включать резистор R? для выравнивания входных сопротивлений отдель­ных приборов (рис. 16,6). Для одновременного включения тринисторов после­довательной цепочки отпирающие импульсы должны иметь минимально воз­можную длительность фронта (несколько десятых долей микросекунды) и та­кую амплитуду, чтобы ток управления каждого тринистора был примерно ра­вен Iу.от.и.

При втором способе отпирающий импульс подается на управляющий элек­трод только одного тринистора, а включение остальных приборов осуществля­ется сигналами, формирующимися в самой цепочке (рис. 16,0). В исходном состоянии конденсаторы d и С2 заряжены до напряжений, имеющихся на трп-нисторах VS2 и VSZ соответственно, в данном случае Uс1 = Uс2 = UПит/3; по­лярность напряжений на обкладках конденсаторов показана на рисунке. Тринистор VSz отпирается внешним управляющим импульсом.Напряжение на аноде трп-нистора VS3 резко снижается, вследствие чего конденсатор С2 разряжается че­рез резистор Rz, цепь управляющего электрода тринистора VS2 и открытый тринистор VS3. Разрядный ток конденсатора С2 открывает тринистор VS2. Разрядным током конденсатора С4 аналогичным образом включается тринистор VSi. Резисторы R1 и R2 ограничивают токи в цепях управляющих электродов приборов VSi и VS2. Сопротивление каждого из них рассчитывают по формуле (10), полагая UBX.И = Uc1 = Uc2=Unsит/3. Конденсаторы d и С2 кроме основ­ной функции выполняют также дополнительную: выравнивают напряжения на тринисторах VS2 и VS3 в моменты коммутации. Для тринистора VS1 эту роль выполняет конденсатор Сз. Резистор Rs ограничивает разрядный ток конденса­тора Сз через прибор VS1 при открывании последнего.


Содержание раздела

---

---

---

Главная сайта

---