Tiristorių įtaisas ir parametrai
Tiristorius – puslaidininkinis įtaisas su trimis (ar daugiau) p-n sandūromis, kurio srovės-įtampos charakteristika turi neigiamą diferencinės varžos atkarpą ir kuris naudojamas perjungimui elektros grandinėse.
Paprasčiausias tiristorius su dviem išėjimais yra diodinis tiristorius (dinistorius). Triodinis tiristorius (SCR) papildomai turi trečią (valdymo) elektrodą. Tiek diodiniai, tiek triodiniai tiristoriai turi keturių sluoksnių struktūrą su trimis p–n sandūromis (1 pav.).
Galinės sritys p1 ir n2 vadinamos atitinkamai anodu ir katodu, valdymo elektrodas prijungiamas prie vienos iš vidurinių zonų p2 arba n1. P1, P2, P3- perėjimai tarp p ir n regionų.
Išorinės maitinimo įtampos šaltinis E yra prijungtas prie anodo su teigiamu poliumi katodo atžvilgiu. Jei srovė Iу per triodinio tiristoriaus valdymo elektrodą yra lygi nuliui, jos veikimas nesiskiria nuo diodo veikimo. Kai kuriais atvejais patogu pavaizduoti tiristorių kaip grandinę, lygiavertę dviems tranzistoriams, naudojant tranzistorius su skirtingų tipų elektros laidumu p-n-p ir n-R-n (1 pav., b).
Fig. 1.Triodinio tiristoriaus struktūra (a) ir dviejų tranzistorių ekvivalentinė grandinė (b).
Kaip matyti iš fig. 1, b, perėjimas P2 yra bendras dviejų tranzistorių kolektoriaus perėjimas lygiavertėje grandinėje, o perėjimai P1 ir P3 yra emiterio sandūros. Didėjant tiesioginei įtampai Upr (kas pasiekiama didinant maitinimo šaltinio E emf), tiristoriaus srovė šiek tiek didėja, kol įtampa Upr priartėja prie tam tikros kritinės gedimo įtampos vertės, lygios įjungimo įtampai Uin (pav. . 2).
Ryžiai. 2. Srovės-įtampos charakteristikos ir įprastas triodinio tiristoriaus žymėjimas
Toliau didėjant įtampai Upr, veikiant didėjančiam elektriniam laukui P2 perėjime, pastebimas staigus krūvininkų skaičiaus padidėjimas dėl smūginės jonizacijos krūvininkų susidūrimo su atomais metu. Dėl to sandūros srovė greitai didėja, nes elektronai iš n2 sluoksnio ir skylės iš p1 sluoksnio veržiasi į p2 ir n1 sluoksnius ir prisotina juos mažumos krūvininkų. Toliau didėjant šaltinio E EMF arba sumažėjus rezistoriaus R varžai, srovė įrenginyje didėja pagal vertikalią I-V charakteristikos pjūvį (2 pav.).
Mažiausia tiesioginė srovė, kuriai esant tiristorius lieka įjungtas, vadinama laikymo srove Isp. Sumažėjus tiesioginei srovei iki reikšmės Ipr <Isp (mažėjanti I — V charakteristikos šaka 2 pav.), atsistato didelė jungties varža ir išsijungia tiristorius. P–n sandūros atsparumo atsistatymo laikas paprastai yra 1–100 µs.
Įtampa Uin, nuo kurios prasideda laviną primenantis srovės padidėjimas, gali būti sumažinta toliau įvedant mažumos krūvininkus į kiekvieną sluoksnį, esantį šalia P2 jungties. Šie papildomi krūvininkai padidina jonizacijos veiksmų skaičių P2 p-n sandūroje ir todėl sumažėja įjungimo įtampa Uincl.
Papildomi krūvininkai triodiniame tiristoriuje, parodytame fig. 1, į p2 sluoksnį įvedami pagalbinė grandinė, maitinama nepriklausomo įtampos šaltinio. Įjungimo įtampa mažėja didėjant valdymo srovei, parodyta kreivių šeima 1 pav. 2.
Pereinant į atvirą (įjungtą) būseną, tiristorius neišsijungia net tada, kai valdymo srovė Iy sumažėja iki nulio. Išjungti tiristorių galima arba sumažinus išorinę įtampą iki tam tikros minimalios vertės, kuriai esant srovė tampa mažesnė už laikymo srovę, arba tiekiant neigiamą srovės impulsą į valdymo elektrodo grandinę, kurios vertė , yra proporcinga priekinio jungiklio srovės Ipr vertei.
Svarbus triodinio tiristoriaus parametras yra atrakinimo valdymo srovė Iu on — valdymo elektrodo srovė, kuri užtikrina tiristoriaus perjungimą atviroje būsenoje. Šios srovės vertė siekia kelis šimtus miliamperų.
Fig. 2 matyti, kad į tiristorių įjungus atvirkštinę įtampą, jame atsiranda nedidelė srovė, nes šiuo atveju perėjimai P1 ir P3 yra uždaryti. Norint išvengti tiristoriaus pažeidimų atvirkštine kryptimi (dėl to tiristorius neveikia dėl terminio eigos gedimo), atbulinės eigos įtampa turi būti mažesnė už Urev.max.
Simetriškuose dioduose ir trioduose tiristoriuose atvirkštinė I — V charakteristika sutampa su tiesiogine. Tai pasiekiama antilygiagrečiai sujungiant dvi identiškas keturių sluoksnių konstrukcijas arba naudojant specialias penkių sluoksnių konstrukcijas su keturiomis p-n sandūromis.
Ryžiai. 3. Simetrinio tiristoriaus struktūra (a), jo schema (b) ir srovės-įtampos charakteristika (c)
Šiuo metu tiristoriai gaminami srovėms iki 3000 A ir įjungimo įtampai iki 6000 V.
Pagrindiniai daugumos tiristorių trūkumai – nepilnas valdomumas (tiristorius neišsijungia nuėmus valdymo signalą) ir santykinai mažas greitis (dešimties mikrosekundžių). Tačiau pastaruoju metu buvo sukurti tiristoriai, kurių pirmasis trūkumas buvo pašalintas (blokuojančius tiristorius galima išjungti naudojant valdymo srovę).
Potapovas L.A.