En tyristor er en halvlederenhed lavet på basis af en halvleder -enkeltkrystal med tre eller flere pn-forbindelser og med to stabile tilstande:
En tyristor med tre elektriske terminaler - en anode , en katode og en kontrolelektrode - kaldes en trinistor . Hovedanvendelsen af SCR'er er styringen af en kraftig belastning ved hjælp af et svagt signal påført kontrolelektroden.
I to-bens enheder - dinistorer sker overgangen af enheden til en ledende tilstand, hvis spændingen mellem dens anode og katode overstiger åbningsspændingen.
Tyristoren kan opfattes som en elektronisk kontakt ( nøgle ). Thyristorer bruges også i vigtige enheder, for eksempel et motordrev .
Der er forskellige typer tyristorer, som hovedsageligt er opdelt i:
Strømspændingskarakteristikken (CVC) for tyristoren er ikke-lineær og viser, at tyristormodstanden er negativ differentiel . Sammenlignet med for eksempel transistorkontakter har tyristorstyring nogle funktioner. Overgangen af en tyristor fra en tilstand til en anden i et elektrisk kredsløb sker brat (lavine-lignende) og udføres af en ekstern påvirkning på enheden: enten spænding (strøm) eller lys (for en fototyristor ). Efter at tyristoren skifter til åben tilstand, forbliver den i denne tilstand, selv efter at styresignalet er afsluttet. Tyristoren forbliver tændt, så længe strømmen, der løber gennem den, overstiger en vis værdi, kaldet holdestrømmen.
Enheden af tyristorer er vist i fig. 1 . Tyristoren består af fire halvledere (lag) forbundet i serie og adskiller sig i typerne af ledningsevne: p-n-p-n . p-n- forbindelser mellem ledere i figuren er betegnet som "J1", "J2" og "J3". Kontakten til det ydre p -lag kaldes en anode , til den ydre n -lag- katode . Generelt kan en p‑n‑p‑n‑ enhed have op til to kontrolelektroder (baser) fastgjort til de indre lag. Ved at påføre et signal til styreelektroden styres tyristoren (dens tilstand ændres).
En enhed, der ikke indeholder kontrolelektroder, kaldes en diodetyristor eller dinistor . Sådanne enheder styres af en spænding påført mellem hovedelektroderne.
En enhed, der indeholder en kontrolelektrode, kaldes en triode tyristor eller trinistor [1] (nogle gange bare en tyristor , selvom dette ikke er helt korrekt). Afhængigt af hvilket lag af halvlederen kontrolelektroden er forbundet til, styres trinistorer af anoden og af katoden. Sidstnævnte er de mest almindelige.
De ovenfor beskrevne enheder kommer i to varianter: passerende strøm i én retning (fra anoden til katoden) og passerende strøm i begge retninger. For sidstnævnte er CVC symmetrisk, derfor kaldes de tilsvarende enheder symmetrisk . Symmetriske enheder er lavet af fem lag af halvledere. En symmetrisk trinistor kaldes også en triac eller triac (fra engelsk TRIAC - triode for vekselstrøm ). Det skal bemærkes, at i stedet for symmetriske dinistorer bruges deres kredsløbsanaloger ofte [2] , inklusive integrale, som normalt har bedre parametre.
Tyristorer med kontrolelektrode er opdelt i låsbare og ikke-låsbare. Ikke-låsbare tyristorer kan ikke skiftes til lukket tilstand (som afspejlet i deres navn) ved hjælp af et signal, der påføres kontrolelektroden. Sådanne tyristorer lukker, når strømmen, der flyder gennem dem, bliver mindre end holdestrømmen. I praksis sker dette normalt i slutningen af halvbølgen af netspændingen.
En typisk I–V-karakteristik for en tyristor, der leder i én retning (med eller uden styreelektroder) er vist i fig. 2 . Beskrivelse af VAC:
Strøm-spændingskarakteristikken for symmetriske tyristorer adskiller sig fra den, der er vist i fig. 2 ved, at kurven i grafens tredje kvartal (nederst til venstre) gentager udsnit fra første kvartal (øverst til højre) symmetrisk om oprindelsen (se CVC triac ).
I henhold til typen af ikke-linearitet af CVC er tyristoren klassificeret som S-enheder .
To hovedfaktorer begrænser den omvendte sammenbrud og fremadgående nedbrydningstilstand:
I den omvendte låsetilstand påføres en spænding på enhedens anode , som er negativ i forhold til katoden; kryds J1 og J3 forskydes i den modsatte retning, og kryds J2 forskydes i fremadgående retning (se fig. 3 ). I dette tilfælde falder det meste af den påførte spænding ved en af J1- eller J3-forbindelserne (afhængig af graden af doping i de forskellige regioner). Lad dette være overgang J1. Afhængigt af tykkelsen W n1 af n1- laget, er nedbrydningen forårsaget af lavinemultiplikation (tykkelsen af det udtømte område under nedbrydning er mindre end W n1 ) eller ved en punktering (det udtømte lag strækker sig over hele regionen n1, og overgange J1 og J2 er lukkede).
Ved direkte blokering er spændingen ved anoden positiv i forhold til katoden, og kun J2-forbindelsen er omvendt forspændt. Overgange J1 og J3 er fremadrettet. Det meste af den påførte spænding falder over J2-forbindelsen. Gennem krydsene J1 og J3 injiceres minoritetsbærere i områderne, der støder op til krydset J2, hvilket reducerer modstanden af J2-forbindelsen, øger strømmen gennem det og reducerer spændingsfaldet over det. Med en stigning i fremadspændingen vokser strømmen gennem tyristoren først langsomt, hvilket svarer til 0-1 sektionen på I–V karakteristikken. I denne tilstand kan tyristoren betragtes som låst, da modstanden af J2-krydset stadig er meget høj. Når tyristorspændingen stiger, falder andelen af spændingen, der falder over J2, og spændingerne over J1 og J3 stiger hurtigere, hvilket forårsager en yderligere stigning i strømmen gennem tyristoren og øget minoritetsbærerindsprøjtning i J2-området. Ved en bestemt spændingsværdi (i størrelsesordenen titusinder eller hundreder af volt), kaldet koblingsspændingen V BF (punkt 1 på I–V-karakteristikken), bliver processen lavinelignende, tyristoren går i en tilstand med høj ledningsevne (tænder), og der sættes en strøm i den, bestemt af kildespændingen og eksternt kredsløbsmodstand.
To-transistor tyristor modelEn to-transistor-model bruges til at forklare enhedens egenskaber i direkte nedlukningstilstand. En tyristor kan opfattes som en forbindelse mellem en pnp- transistor og en npn-transistor, hvor kollektoren for hver af dem er forbundet til bunden af den anden, som vist i fig. 4 til triode tyristor. Den centrale p-n-forbindelse fungerer som en samler af huller, der injiceres af J1-forbindelsen, og elektroner , der injiceres af J3-forbindelsen. Forholdet mellem emitter- , kollektor- og basisstrømmene og den statiske strømforstærkning af pnp-transistoren er også vist i fig. 4 , hvor er den omvendte mætningsstrøm af kollektor-base-forbindelsen.
Lignende forhold kan opnås for en npn-transistor, når retningen af strømmene er vendt. Fra fig. 4 følger det, at kollektorstrømmen for npn-transistoren også er basisstrømmen for pnp-transistoren. På samme måde strømmer kollektorstrømmen af pnp-transistoren og styrestrømmen ind i npn-transistorens basis. Som et resultat, når den samlede forstærkning i den lukkede sløjfe overstiger 1, bliver en lavinelignende proces med at øge strømmen gennem strukturen mulig, mens spændingen på enheden bliver lig med ca. 1 V, og strømmen kun begrænses af modstand af det eksterne kredsløb.
Basisstrømmen af pnp-transistoren er . Denne strøm løber også gennem npn-transistorens kollektor.
Samlerstrøm af npn transistor med forstærkning er
Ved at sætte lighedstegn mellem og , får vi:
Siden da:
Denne ligning beskriver enhedens statiske respons i spændingsområdet op til sammenbrud. Efter nedbrud fungerer enheden som en pin-diode . Bemærk, at alle led i tælleren i højre side af ligningen er små, så længe det aktuelle led er lille. Koefficienterne afhænger af og stiger med stigende strøm op til dens høje værdier. Hvis så nævneren af fraktionen i ovenstående formel for anodestrømmen forsvinder, stiger strømmen, og der opstår et direkte reversibelt nedbrud (eller tyristoren tændes).
Hvis spændingspolariteten mellem anoden og katoden er omvendt, så vil J1 og J3 være omvendt forspændt, og J2 vil være fremadrettet. Under sådanne forhold tænder enheden ikke, da kun det centrale pn-kryds fungerer som en ladningsbærer-emitter, og den lavinelignende proces med nuværende vækst bliver umulig.
Bredden af de udtømte lag og energibånddiagrammerne i ligevægt i de direkte blokerings- og direkte ledningstilstande er vist i fig. 5 . Ved nulspænding på enheden bestemmes udtømningsområdet for hvert kryds og kontaktpotentialerne kun af urenhedsfordelingsprofilen. Når en positiv spænding påføres anoden, har J2-forbindelsen tendens til at bevæge sig i den modsatte retning, mens J1- og J3-forbindelsen har en tendens til at bevæge sig fremad. Spændingsfaldet mellem anode og katode er lig med den algebraiske sum af spændingsfaldene over krydsene :. Når spændingen stiger, øges strømmen gennem enheden og følgelig
På grund af den regenerative karakter af disse processer vil enheden i sidste ende gå i en åben tilstand. Efter at have tændt for tyristoren, skal strømmen, der strømmer gennem den, begrænses af den eksterne belastningsmodstand, ellers vil tyristoren svigte ved en tilstrækkelig høj strøm. I den tændte tilstand er J2-forbindelsen fremadrettet ( fig. 5c ), og spændingsfaldet er omtrent lig med summen af spændingen ved én fremadrettet pn-forbindelse og kollektor-emitterspændingen af den mættede transistor.
To-transistor-modellen bruges ikke kun til at studere og beskrive de processer, der forekommer i tyristoren. Inkluderingen af pnp og npn reelle transistorer i henhold til ovenstående diagram er en kredsløbsanalog af en tyristor og bruges nogle gange i elektronisk udstyr.
Når tyristoren er i tændt tilstand, er alle tre junctions fremadrettet. Huller injiceres fra pl-regionen og elektroner fra n2-regionen, og n1-p2-n2-strukturen opfører sig på samme måde som en mættet transistor med diodekontakten fjernet til n1-regionen. Derfor ligner enheden som helhed en pin (p + -in + ) diode.
Når en spænding med direkte polaritet påføres tyristorens anode og katode med en stigningshastighed på mere end en vis kritisk værdi, vil pnpn-strukturen åbne selv uden at åbningsstrømmen tilføres styreelektroden. Denne effekt skyldes den parasitære kapacitans mellem anoden og styreelektroden, genopladningsstrømmen af denne kapacitans med en stigning i anodespændingen åbner sig ind i styreelektrodens lag. Denne effekt begrænser brugen af tyristorer i højfrekvente kredsløb, men bruges nogle gange til at drive en tyristor i nogle kredsløb. Parameteren er angivet i referencedataene for en specifik tyristormodel.
I det øjeblik, hvor tyristoren åbnes langs kontrolelektroden, på grund af inhomogeniteter i enhedens halvlederkrystal, begynder strømmen at strømme gennem strukturen i en bestemt zone begrænset i område. Arealet af den nuværende strømningszone øges gradvist, og til sidst begynder strømmen at strømme gennem hele krydsets overflade. Hvis strømmen efter åbningen af tyristoren stiger meget hurtigt, det vil sige ved di/dt > (di/dt) crit , så "har den zone, hvor strømmen løber" ikke "tid" til at udvide sig til hele krydsningsområdet og derfor , på det lokale sted for den indledende strømstrøm, når dens tæthed værdier , hvor ødelæggelsen af overgange i strukturen på grund af termisk sammenbrud og svigt af enheden er mulig. Derfor bør strømstigningshastigheden begrænses ved brug af tyristorer. Parameteren dicrit/dt er en reference og er angivet i katalogerne for hver tyristormodel.
Efter ledningsevne og antal ledninger [4] [5] [6] :
Tidligere blev tyristorer kaldt "kontrollerede dioder" i russisk litteratur.
Der er ingen grundlæggende forskelle mellem en dinistor og en trinistor, men hvis dinistoren åbner, når en vis spænding nås mellem anode- og katodeterminalerne, afhængigt af typen af denne dinistor, så kan åbningsspændingen i trinistoren reduceres specielt ved at påføre en strømimpuls af en vis varighed og værdi til dens styreelektrode med en positiv potentialforskel mellem anoden og katoden, og strukturelt adskiller trinistoren sig kun i nærvær af en styreelektrode. SCR'er er de mest almindelige enheder fra "thyristor"-familien.
Skift til den lukkede tilstand af konventionelle tyristorer udføres enten ved at reducere strømmen gennem tyristoren til værdien I h , eller ved at ændre polariteten af spændingen mellem katoden og anoden.
Låsbare tyristorer, i modsætning til konventionelle tyristorer, kan under indflydelse af strømmen fra kontrolelektroden gå fra en lukket tilstand til en åben tilstand og omvendt. For at lukke den låsbare tyristor er det nødvendigt at føre en strøm med modsat polaritet gennem kontrolelektroden end den polaritet, der fik den til at åbne.
En triac (symmetrisk tyristor) er en halvlederenhed, i sin struktur er den en analog af den anti-parallelle forbindelse af to tyristorer. I stand til at lede elektrisk strøm i begge retninger.
Moderne tyristorer er fremstillet til strømme fra 1 mA til 10 kA ; for spændinger fra flere tiere volt til flere kilovolt; den fremadgående strømstigningshastighed i dem når 10 9 A / s , spænding - 10 9 V / s , tændingstid varierer fra flere tiendedele til flere titusvis af mikrosekunder, sluktid - fra flere enheder til flere hundrede mikrosekunder.
Almindelige russiske tyristorer inkluderer enheder KU202 ( 25-400 V , strøm 10 A ), importerede - MCR100 ( 100-600 V , 0,8 A ), 2N5064 ( 200 V , 0,5 A ), C106D ( 400 V ) , TYN 61 A , TYN ( 600 V , 12 A ), BT151 ( 800 V , 7,5-12 A ) og andre.
Ikke alle tyristorer tillader påføring af en omvendt spænding, der kan sammenlignes med den tilladte fremadspænding. Den kontrollerede effekt gennem tyristoren kan nå op til 100 MW.
Tyristorer bruges som en del af følgende enheder:
Ordbøger og encyklopædier | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
|
Elektriske strømensrettere | ||
---|---|---|
med bevægelige dele | ||
Væske |
| |
gasudledning | ||
Elektrovakuum | ||
Halvleder |