Tiristor

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 13 octombrie 2020; verificările necesită 25 de modificări .

Un tiristor este un dispozitiv semiconductor realizat pe baza unui monocristal semiconductor cu trei sau mai multe joncțiuni pn și având două stări stabile:

stare "închisă" - o stare de conductivitate scăzută ;
stare „deschisă” - stare de conductivitate ridicată

Un tiristor cu trei terminale electrice - un anod , un catod și un electrod de control - se numește trinistor . Principala aplicație a SCR-urilor este controlul unei sarcini puternice folosind un semnal slab aplicat electrodului de control.

În dispozitivele cu doi pini - dinistori , trecerea dispozitivului la starea conducătoare are loc dacă tensiunea dintre anodul și catodul său depășește tensiunea de deschidere.

Tiristorul poate fi considerat ca un comutator electronic ( cheie ). Tiristoarele sunt, de asemenea, utilizate în dispozitivele cheie, de exemplu, o unitate de alimentare .

Există diferite tipuri de tiristoare, care sunt împărțite în principal în:

conform metodei de management;
prin conductivitate:
- tiristoare care conduc curentul într-o singură direcție (exemple: dinistori dezechilibrat și trinistori dezechilibrat);
- tiristoare care conduc curentul în două direcții (exemple: dinistori simetrici și triaci - trinistori simetrici).

Caracteristica curent-tensiune (CVC) a tiristorului este neliniară și arată că rezistența tiristorului este diferențială negativă . În comparație, de exemplu, cu comutatoarele cu tranzistori, controlul tiristorului are unele caracteristici. Trecerea unui tiristor de la o stare la alta într-un circuit electric are loc brusc (ca avalanșă) și este efectuată de o influență externă asupra dispozitivului: fie tensiune (curent), fie lumină (pentru un fototiristor ). După ce tiristorul trece în starea deschis, acesta rămâne în această stare chiar și după ce semnalul de control este terminat. Tiristorul rămâne pornit atâta timp cât curentul care trece prin el depășește o anumită valoare, numită curent de menținere.

Dispozitivul și principalele tipuri de tiristoare

Dispozitivul tiristoarelor este prezentat în fig. 1 . Tiristorul este format din patru semiconductori (straturi) conectate în serie și care diferă prin tipurile de conductivitate: p-n-p-n . Joncțiunile p-n dintre conductorii din figură sunt desemnate ca „J1”, „J2” și „J3”. Contactul cu stratul p exterior se numește anod , cu catodul exterior n -stratul . În general, un dispozitiv p‑n‑p‑n‑ poate avea până la doi electrozi de control (baze) atașați la straturile interioare. Prin aplicarea unui semnal la electrodul de control, tiristorul este controlat (starea lui se schimbă).

Un dispozitiv care nu conține electrozi de control se numește tiristor sau dinistor cu diodă . Astfel de dispozitive sunt controlate de o tensiune aplicată între electrozii principali.

Un dispozitiv care conține un electrod de control se numește tiristor triodă sau trinistor [1] (uneori doar tiristor , deși acest lucru nu este complet corect). În funcție de stratul semiconductorului la care este conectat electrodul de control, trinistorii sunt controlați de anod și de catod. Acestea din urmă sunt cele mai comune.

Dispozitivele descrise mai sus vin în două variante: curent de trecere într-o direcție (de la anod la catod) și curent de trecere în ambele direcții. Pentru acesta din urmă, CVC-ul este simetric, prin urmare dispozitivele corespunzătoare sunt numite simetrice . Dispozitivele simetrice sunt formate din cinci straturi de semiconductori. Un trinistor simetric este numit și triac sau triac (din engleză TRIAC - triode for alternating current ). Trebuie remarcat faptul că în loc de dinistori simetrici , sunt adesea utilizați analogii de circuite ale acestora [2] , inclusiv integrale, care au de obicei parametri mai buni.

Tiristoarele cu electrod de control sunt împărțite în blocabile și neblocabile. Tiristoarele neblocabile nu pot fi comutate în starea închisă (așa cum se reflectă în numele lor) folosind un semnal aplicat electrodului de control. Astfel de tiristoare se închid atunci când curentul care trece prin ele devine mai mic decât curentul de reținere. În practică, acest lucru are loc de obicei la sfârșitul semi-undă a tensiunii de rețea.

Caracteristica volt-amperi a tiristorului

O caracteristică tipică I-V a unui tiristor care conduce într-o singură direcție (cu sau fără electrozi de control) este prezentată în fig. 2 . Descrierea VAC:

curba CVC în zona delimitată printr-un dreptunghi cu coordonatele vârfurilor (0; 0) și (Vo; I L ) (ramură inferioară) corespunde unei rezistențe mari a dispozitivului (blocarea directă a dispozitivului);
punctul (Vo; I L ) corespunde momentului în care tiristorul este pornit (trecerea dinistorului în starea de pornire);
curba CVC din zona delimitată de un dreptunghi cu coordonatele vârfurilor (Vvo;I L ) și (Vн;In) corespunde trecerii dispozitivului în starea de pornire (regiune instabilă). Judecând după faptul că curba are o formă de S, putem concluziona că rezistența tiristorului este diferențială negativă . Când diferența de potențial dintre anodul și catodul unui tiristor cu polaritate directă depășește valoarea Vvo, tiristorul va fi deblocat (efectul dinistor);
curba CVC din punctul cu coordonate (Vn; In) și mai sus corespunde stării deschise a dispozitivului (conducție directă);
graficul prezintă caracteristicile I–V cu diferiți curenți de control I G (curenți pe electrodul de control al tiristorului): I G =0; I G >0; I G >>0. Cu cât curentul I G este mai mare, cu atât tensiunea Vvo este mai mică, tiristorul trece într-o stare conductivă;
linia punctată indică curba CVC corespunzătoare fluxului de curent I G >> 0 în circuit - așa-numitul „curent de pornire de redresare”. Cu un astfel de curent, tiristorul trece într-o stare conductivă la o diferență de potențial minimă între anod și catod. Pentru a transfera tiristorul într-o stare neconductivă, este necesar să se reducă curentul din circuitul anod-catod sub curentul de menținere I H ; [3]
curba CVC în secțiunea de la V BR la 0 corespunde modului de blocare inversă a dispozitivului;
Curba CVC în zona de la - ∞ la V BR corespunde modului de defalcare inversă.

Caracteristica curent-tensiune a tiristoarelor simetrice diferă de cea prezentată în fig. 2 prin faptul că curba din al treilea sfert al graficului (stânga jos) repetă secțiuni din primul sfert (dreapta sus) simetric față de origine (vezi triac CVC ).

În funcție de tipul de neliniaritate a CVC, tiristorul este clasificat ca dispozitive S.

Moduri de funcționare ale unui tiristor triodă

Modul de blocare inversă

Doi factori principali limitează modurile de defalcare inversă și defalcare directă:

defectarea avalanșelor ;
puncția regiunii epuizate .

În modul de blocare inversă, anodul dispozitivului este aplicată o tensiune care este negativă în raport cu catodul; joncțiunile J1 și J3 sunt deplasate în direcția opusă, iar joncțiunea J2 este deplasată în direcția înainte (vezi Fig. 3 ). În acest caz, cea mai mare parte a tensiunii aplicate scade la una dintre joncțiunile J1 sau J3 (în funcție de gradul de dopaj al diferitelor regiuni). Fie aceasta tranziția J1. În funcție de grosimea W n1 a stratului n1, defalcarea este cauzată de înmulțirea avalanșei (grosimea regiunii epuizate în timpul ruperii este mai mică de W n1 ) sau de o puncție (stratul epuizat se extinde pe întreaga regiune n1, iar tranzițiile J1 și J2 sunt închise).

Modul de blocare directă

În cazul blocării directe, tensiunea la anod este pozitivă față de catod și numai joncțiunea J2 este polarizată invers. Tranzițiile J1 și J3 sunt polarizate înainte. Majoritatea tensiunii aplicate scade pe joncțiunea J2. Prin joncțiunile J1 și J3, purtătorii minoritari sunt injectați în regiunile adiacente joncțiunii J2, care reduc rezistența joncțiunii J2, cresc curentul prin aceasta și reduc căderea de tensiune pe ea. Odată cu creșterea tensiunii directe, curentul prin tiristor crește mai întâi lent, ceea ce corespunde secțiunii 0-1 a caracteristicii I-V. În acest mod, tiristorul poate fi considerat blocat, deoarece rezistența joncțiunii J2 este încă foarte mare. Pe măsură ce tensiunea tiristorului crește, proporția de tensiune scăzută pe J2 scade, iar tensiunile peste J1 și J3 cresc mai repede, ceea ce determină o creștere suplimentară a curentului prin tiristor și o creștere a injecției purtătorului minoritar în regiunea J2. La o anumită valoare a tensiunii (de ordinul a zecilor sau sutelor de volți), numită tensiune de comutare V BF (punctul 1 pe caracteristica I–V), procesul devine ca o avalanșă, tiristorul intră într-o stare de conductivitate ridicată. (se pornește), iar în el este setat un curent, determinat de tensiunea sursei și rezistența circuitului extern.

Model tiristor cu doi tranzistori

Un model cu două tranzistoare este utilizat pentru a explica caracteristicile dispozitivului în modul de oprire directă. Un tiristor poate fi gândit ca o conexiune între un tranzistor pnp și un tranzistor npn, cu colectorul fiecăruia conectat la baza celuilalt, așa cum se arată în Fig. 4 pentru tiristor triodă. Joncțiunea p-n centrală acționează ca un colector de găuri injectate de joncțiunea J1 și electroni injectați de joncțiunea J3. Relația dintre emițătorul , colectorul și curenții de bază și câștigul de curent static al tranzistorului pnp este, de asemenea, prezentată în Fig. 4 , unde este curentul de saturație inversă al joncțiunii colector-bază. $I_{E}$ $I_{C}$ $eu_{B}$ $\alpha_{1}$ $I_{Co}$

Relații similare pot fi obținute pentru un tranzistor npn atunci când direcția curenților este inversată. Din fig. 4 rezultă că curentul de colector al tranzistorului npn este, de asemenea, curentul de bază al tranzistorului pnp. În mod similar, curentul colector al tranzistorului pnp și curentul de control curg în baza tranzistorului npn. Ca urmare, atunci când câștigul total în bucla închisă depășește 1, un proces asemănător unei avalanșe de creștere a curentului prin structură devine posibil, în timp ce tensiunea de pe dispozitiv devine egală cu aproximativ 1 V, iar curentul este limitat doar de rezistența circuitului extern. $I_{g)$

Curentul de bază al tranzistorului pnp este . Acest curent trece și prin colectorul tranzistorului npn. $I_{B1}=(1-\alpha _{1})\cdot I_{A}-I_{Co1)$

Curentul colector al tranzistorului npn cu câștig este $\alpha_2$ $I_{C2}=\alpha _{2}\cdot I_{K}+I_{Co2}.$

Echivalând și , obținem: $I_{B1}$ $I_{C2}$

(1-\alpha _{1})\cdot I_{A}-I_{Co1}=\alpha _{2}\cdot I_{K}+I_{Co2}.

De atunci: $I_{K}=I_{A}+I_{g},$

I_{A}={\frac {\alpha _{2}I_{g}+I_{Co1}+I_{Co2}}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2} )}}.

Această ecuație descrie răspunsul static al dispozitivului în domeniul de tensiune până la defecțiune. După defecțiune, dispozitivul funcționează ca o diodă pin . Rețineți că toți termenii din numărătorul din partea dreaptă a ecuației sunt mici, prin urmare, atâta timp cât termenul curent este mic. Coeficienții depind și cresc cu creșterea curentului până la valorile sale mari. Dacă atunci numitorul fracției din formula de mai sus pentru curentul anodic dispare, curentul crește și are loc o defecțiune directă reversibilă (sau tiristorul este pornit). $\alpha _{1}+\alpha _{2}<1,$ $IN ABSENTA}$ $\alpha _{1},$ $\alpha_2$ $IN ABSENTA}$ $\alpha _{1}+\alpha _{2}=1,$

Dacă polaritatea tensiunii dintre anod și catod este inversată, atunci J1 și J3 vor fi polarizate invers, iar J2 va fi polarizat direct. În astfel de condiții, dispozitivul nu pornește, deoarece numai joncțiunea centrală pn funcționează ca un emițător de purtător de sarcină, iar procesul de creștere a curentului asemănător unei avalanșe devine imposibil.

Lățimea straturilor epuizate și diagramele benzilor de energie în echilibru, în modurile de blocare directă și conducție directă sunt prezentate în Fig. 5 . La tensiune zero pe dispozitiv, regiunea de epuizare a fiecărei joncțiuni și potențialele de contact sunt determinate numai de profilul de distribuție a impurităților. Când se aplică o tensiune pozitivă anodului, joncțiunea J2 tinde să se miște în direcția opusă, în timp ce joncțiunile J1 și J3 tind să se deplaseze înainte. Căderea de tensiune dintre anod și catod este egală cu suma algebrică a căderilor de tensiune pe joncțiuni: . Pe măsură ce tensiunea crește, curentul prin dispozitiv crește și, în consecință , $V_{AK}=V_{1}+V_{2}+V_{3}$ $\alpha_{1}$ $\alpha _{2}.$

Datorită naturii regenerative a acestor procese, dispozitivul va intra în cele din urmă într-o stare deschisă. După pornirea tiristorului, curentul care circulă prin acesta trebuie limitat de rezistența de sarcină externă, altfel, la un curent suficient de mare, tiristorul se va defecta. În starea de pornire, joncțiunea J2 este polarizată direct ( Fig. 5c ), iar căderea de tensiune este aproximativ egală cu suma tensiunii la o joncțiune pn polarizată direct și tensiunea colector-emițător a tranzistorului saturat. $V_{AK}=V_{1}-|V_{2}|+V_{3}$

Modelul cu două tranzistoare este folosit nu numai pentru a studia și a descrie procesele care au loc în tiristor. Includerea tranzistorilor reali pnp și npn conform diagramei de mai sus este un circuit analog al unui tiristor și este uneori utilizat în echipamentele electronice.

Modul de conducere înainte

Când tiristorul este în starea de pornire, toate cele trei joncțiuni sunt polarizate înainte. Găurile sunt injectate din regiunea p1 și electronii din regiunea n2, iar structura n1-p2-n2 se comportă similar cu un tranzistor saturat, cu contactul diodei îndepărtat în regiunea n1. Prin urmare, dispozitivul în ansamblu este similar cu o diodă pin (p + -in + ).

Efectul dU/dt

Când se aplică o tensiune de polaritate directă anodului și catodului tiristorului cu o rată de creștere mai mare decât o anumită valoare critică, structura pnpn se va deschide chiar și fără ca curentul de deschidere să fie furnizat electrodului de control. Acest efect se datorează capacității parazitare dintre anod și electrodul de control, curentul de reîncărcare a acestei capacități cu o creștere a tensiunii anodului se deschide în stratul electrodului de control. Acest efect limitează utilizarea tiristoarelor în circuitele de înaltă frecvență, dar uneori este folosit pentru a conduce un tiristor în unele circuite. Parametrul este indicat în datele de referință pentru un anumit model de tiristor. $dU/dt>(dU/dt)_{\text {crit)}$ $(dU/dt)_{\text{crit)}$

efect di/dt

În momentul în care tiristorul este deschis de-a lungul electrodului de control, din cauza neomogenităților din cristalul semiconductor al dispozitivului, curentul începe să curgă prin structură într-o anumită zonă limitată în zonă. Zona zonei de curgere a curentului crește treptat și în cele din urmă curentul începe să curgă prin întreaga suprafață de joncțiune. Dacă curentul după deschiderea tiristorului crește foarte repede, adică la di/dt > (di/dt) crit , atunci zona în care curge curentul nu „are timp” să se extindă în toată zona de joncțiune și, prin urmare, , în locul local al fluxului de curent inițial, densitatea acestuia atinge valori , la care este posibilă distrugerea tranzițiilor din structură din cauza defecțiunii termice și a defecțiunii dispozitivului. Prin urmare, atunci când se utilizează tiristoare, rata de creștere a curentului ar trebui limitată. Parametrul dicrit/dt este o referință și este indicat în cataloage pentru fiecare model de tiristor.

Clasificarea tiristoarelor

După conductivitate și numărul de cabluri [4] [5] [6] :

tiristor diodă (nume suplimentar " dinistor ") - un tiristor cu două ieșiri:
- diodă tiristor, care nu conduce în direcția opusă;
- diodă tiristor, conducând în sens opus;
- tiristor cu diodă simetrică ( Diak );
tiristor triodă (nume suplimentar „trinistor”) - un tiristor cu trei ieșiri:
- tiristor triodă, care nu conduce în direcția opusă (nume suplimentar „tiristor”);
- tiristor triodă, conducând în direcția opusă (nume suplimentar „diodă tiristor”);
- tiristor triodă simetrică (un alt nume rusesc este „ simistor ”, engleză en: TRIAC [7] );
- tiristor cu triodă asimetrică;
- tiristor blocabil (nume suplimentar „tiristor cu triodă comutabilă”).

Anterior, tiristoarele erau numite „diode controlate” în literatura rusă.

Diferența dintre un dinistor și un trinistor

Nu există diferențe fundamentale între un dinistor și un trinistor, totuși, dacă dinistorul se deschide atunci când se atinge o anumită tensiune între bornele anod și catod, în funcție de tipul acestui dinistor, atunci în trinistor tensiunea de deschidere poate fi redusă în mod special prin aplicarea unui impuls de curent de o anumită durată și valoare la electrodul său de control cu o diferență de potențial pozitivă între anod și catod, iar structural trinistorul diferă doar în prezența unui electrod de control. SCR-urile sunt cele mai comune dispozitive din familia „tiristoarelor”.

Diferența dintre un tiristor triodă și un tiristor blocabil

Trecerea la starea închisă a tiristoarelor convenționale se realizează fie prin reducerea curentului prin tiristor la valoarea I h , fie prin modificarea polarității tensiunii dintre catod și anod.

Tiristoarele blocabile, spre deosebire de tiristoarele convenționale, sub influența curentului electrodului de control pot trece de la o stare închisă la una deschisă și invers. Pentru a închide tiristorul blocabil, este necesar să treceți prin electrodul de control un curent cu polaritate opusă față de polaritatea care a determinat deschiderea acestuia.

Triac

Un triac (tiristor simetric) este un dispozitiv semiconductor, în structura sa este un analog al conexiunii anti-paralele a două tiristoare. Capabil să treacă curentul electric în ambele direcții.

Caracteristicile tiristoarelor

Tiristoarele moderne sunt fabricate pentru curenți de la 1 mA la 10 kA ; pentru tensiuni de la câteva zeci de volți la câțiva kilovolți; rata de creștere a curentului direct în ele ajunge la 10 9 A / s , tensiunea - 10 9 V / s , timpul de pornire variază de la câteva zecimi la câteva zeci de microsecunde, timpul de oprire - de la câteva unități la câteva sute de microsecunde.

Tiristoarele rusești obișnuite includ dispozitive KU202 ( 25-400 V , curent 10 A ), cele importate - MCR100 ( 100-600 V , 0,8 A ), 2N5064 ( 200 V , 0,5 A ) , C106D ( 400 V , , TY 401 V ), , TY ( 600 V , 12 A ), BT151 ( 800 V , 7,5-12 A ) și altele.

Nu toate tiristoarele permit aplicarea unei tensiuni inverse comparabile cu tensiunea directă admisă. Puterea controlată prin tiristor poate ajunge până la 100 MW.

Aplicație

Tiristoarele sunt utilizate ca parte a următoarelor dispozitive:

Note

↑ Solid State Electronics / Tutorial. 7.7. Trinistor Arhivat pe 13 ianuarie 2019 la Wayback Machine .
↑ RADIO Nr. 3, 1986, p. 41-42 . Data accesului: 28 ianuarie 2016. Arhivat din original pe 4 februarie 2016. (nedefinit)
↑ E. B. Gumelya, G. N. Dzhunkovsky, Yu. A. Indlin, L. M. Kapchinsky, V. G. Korolkov, Ya. S.K., Terekhov V.A., Tolkacheva Ya.A. „Manualul unui radioamator-designer” Sub general. ed. R.M.Malinina. M., „Energie”, 1973. S.325
↑ GOST 15133-77 Dispozitive semiconductoare. Termeni și definiții.
↑ GOST 2.730-73 Dispozitive semiconductoare. Simbolurile sunt condiționate în schemele grafice.
↑ GOST 20859.1-89 Dispozitive semiconductoare de putere. Specificații generale.
↑ Evseev Yu. A., Krylov S. S. Triacs și utilizarea lor în echipamentele electrice de uz casnic. Moscova: Energoatomizdat, 1990

Literatură

GOST 15133-77. Dispozitive semiconductoare. Termeni și definiții.
Kublanovskiy. Ya. S. Dispozitive cu tiristoare. - Ed. a II-a, revizuită. si suplimentare - M .: Radio şi comunicare, 1987. - 112 p.: ill. - (Bibliotecă radio de masă. Numărul 1104).
Stepanenko IP Fundamentele teoriei tranzistoarelor și a circuitelor tranzistoarelor. - M .: Energie, 1977.
Gerlach V. tiristoare. — M .: Energoatomizdat, 1985.

Link -uri

Tiristoare: principiu de funcționare, design, tipuri și metode de includere.
Controlul tiristoarelor și triacurilor printr-un microcontroler sau circuit digital.
Dispozitive convertoare în sistemele de alimentare cu energie electrică.
Rogachev KD Tiristoare moderne cu blocare.
Analogii domestici ai tiristoarelor importate.
Cărți de referință despre tiristoare și analogi. Înlocuirea tiristoarelor, înlocuirea diodelor. Diode Zener.
BTA16-600B este cel mai comun triac străin pentru controlul lățimii impulsului sau cu cheie al sarcinilor conectate la o sursă de curent alternativ de uz casnic.

Dicționare și enciclopedii	mare danez Britannica (online) Treccani
În cataloagele bibliografice	BNF : 11933674d GND : 4060020-8 J9U : 987007536577305171 LCCN : sh85135157 NKC : ph538431

Componente electronice
Pasiv	Rezistor Rezistor variabil Rezistor trimmer Varistor fotorezistor Condensator condensator variabil Condensator de tuns Varikond Inductor Transformator Rezonator cu cuarț Siguranță Siguranță resetabilă memristor bareter
Stare solidă activă	Dioda Dioda electro luminiscenta Fotodiodă dioda laser Dioda Schottky diodă Zener Stabistor Varicap Magnetodioda Pod de diode Dioda Gunn dioda tunel Diodă de avalanșă Diodă de avalanșă tranzistor tranzistor bipolar Tranzistor cu efect de câmp tranzistor CMOS tranzistor unijunction Fototranzistor Tranzistor compozit tranzistor balistic Circuit integrat Circuit integrat digital Circuit integrat analogic Circuit integrat analog-digital circuit integrat hibrid tiristor Triac Dinistor fototiristor Optocupler ( optocupler cu rezistență ) Senzor Hall
Vacuum activ și descărcare de gaz	Lămpi cu vid Dioda electrovacuum ( Kenotron ) Triodă tetrodă tetroda fasciculului Pentodă hexod Heptod ( Pentagrid ) Octod Nonod mechatron Lămpi cu descărcare diodă Zener Thyratron Ignitron Krytron Trigatron Decatron Magnetron Clistron Amplitron ( Platinotron ) Lampă cu val de călătorie Lampă cu undă inversă Tub catodic
Dispozitive de afișare	Tub catodic Ecran LCD Dioda electro luminiscenta Indicator de descărcare Indicator fluorescent în vid Tabloul de bord Blinker Indicator cu șapte segmente Indicator de matrice Cinescop
Acustic	Microfon Difuzor Tensometru Emițător piezoceramic Buzzer capsulă telefonică
Termoelectric	Termistor Termocuplu Elementul Peltier

Redresoare de curent electric
cu piese mobile	motor generator Traductor de vibrații sincrone
Lichid	aparat de îndreptat sifon redresor de acid
descarcare de gaze	gastron Ignitron Excitron Thyratron
Electrovacuum	Kenotron
Semiconductor	redresor cu seleniu Dioda tiristor