Tyristor

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 13 oktober 2020; kontroller kräver 25 redigeringar .

En tyristor är en halvledarenhet gjord på basis av en halvledarenkristall med tre eller flera pn-övergångar och med två stabila tillstånd:

"stängt" tillstånd - ett tillstånd med låg konduktivitet ;
"öppet" tillstånd - tillstånd av hög konduktivitet

En tyristor med tre elektriska terminaler - en anod , en katod och en kontrollelektrod - kallas en trinistor . Huvudapplikationen för SCR:er är styrning av en kraftfull belastning med hjälp av en svag signal som appliceras på kontrollelektroden.

I tvåstiftsenheter - dinistorer sker övergången av enheten till ett ledande tillstånd om spänningen mellan dess anod och katod överstiger öppningsspänningen.

Tyristorn kan ses som en elektronisk strömbrytare ( nyckel ). Tyristorer används också i viktiga enheter, till exempel en drivenhet .

Det finns olika typer av tyristorer, som huvudsakligen är indelade i:

enligt förvaltningsmetoden;
genom konduktivitet:
- tyristorer som leder ström i en riktning (exempel: obalanserade dinistorer och obalanserade trinistorer);
- tyristorer som leder ström i två riktningar (exempel: symmetriska dinistorer och triacs - symmetriska trinistorer).

Ström -spänningskarakteristiken (CVC) för tyristorn är icke-linjär och visar att tyristorresistansen är negativ differential . Jämfört med till exempel transistoromkopplare har tyristorstyrning vissa funktioner. Övergången av en tyristor från ett tillstånd till ett annat i en elektrisk krets sker abrupt (lavinliknande) och utförs av en extern påverkan på enheten: antingen spänning (ström) eller ljus (för en fototyristor ). Efter att tyristorn växlar till öppet tillstånd, förblir den i detta tillstånd även efter att styrsignalen har avslutats. Tyristorn förblir på så länge som strömmen som flyter genom den överstiger ett visst värde, som kallas hållström.

Enheten och huvudtyperna av tyristorer

Anordningen för tyristorer visas i fig. 1 . Tyristorn består av fyra halvledare (lager) kopplade i serie och skiljer sig åt i typer av konduktivitet: p‑n‑p‑n . p-n- övergångar mellan ledare i figuren är betecknade som "J1", "J2" och "J3". Kontakten till det yttre p -skiktet kallas en anod , till den yttre n -lager- katoden . I allmänhet kan en p‑n‑p‑n‑ enhet ha upp till två styrelektroder (baser) fästa på de inre skikten. Genom att applicera en signal till styrelektroden styrs tyristorn (dess tillstånd ändras).

En enhet som inte innehåller kontrollelektroder kallas en diodtyristor eller dinistor . Sådana anordningar styrs av en spänning som appliceras mellan huvudelektroderna.

En enhet som innehåller en kontrollelektrod kallas en triodtyristor eller trinistor [1] (ibland bara en tyristor , även om detta inte är helt korrekt). Beroende på vilket skikt av halvledaren som styrelektroden är ansluten till, styrs trinistorer av anoden och av katoden. De senare är de vanligaste.

De anordningar som beskrivs ovan finns i två varianter: passerande ström i en riktning (från anoden till katoden) och passerande ström i båda riktningarna. För den senare är CVC symmetrisk, därför kallas motsvarande enheter symmetriska . Symmetriska enheter är gjorda av fem lager av halvledare. En symmetrisk trinistor kallas även triac eller triac (av engelska TRIAC - triode for alternating current ). Det bör noteras att istället för symmetriska dinistorer används ofta deras kretsanaloger [2] , inklusive integrala, som vanligtvis har bättre parametrar.

Tyristorer med styrelektrod är indelade i låsbara och icke-låsbara. Ej låsbara tyristorer kan inte kopplas om till det stängda tillståndet (som återspeglas i deras namn) med en signal som appliceras på kontrollelektroden. Sådana tyristorer stänger när strömmen som flyter genom dem blir mindre än hållströmmen. I praktiken sker detta vanligtvis i slutet av nätspänningens halvvåg.

Volt-ampere karakteristisk för tyristor

En typisk I–V-karakteristik för en tyristor som leder i en riktning (med eller utan styrelektroder) visas i fig. 2 . Beskrivning av VAC:

CVC-kurvan i området som begränsas av en rektangel med koordinaterna för hörnen (0; 0) och (Vo; I L ) (nedre grenen) motsvarar ett högt motstånd hos anordningen (direkt låsning av anordningen);
punkt (Vo; I L ) motsvarar det ögonblick då tyristorn slås på (växling av dinistorn till påslaget läge);
CVC-kurvan i området som begränsas av en rektangel med koordinaterna för hörnen (Vvo;IL ) och (Vn;In) motsvarar att växla enheten till tillståndet (instabilt område). Att döma av det faktum att kurvan har en S-form kan vi dra slutsatsen att tyristorns resistans är negativ differential . När potentialskillnaden mellan anoden och katoden hos en tyristor med direkt polaritet överstiger värdet på Vvo, kommer tyristorn att låsas upp (dinistoreffekt);
CVC-kurvan från punkten med koordinater (Vn; In) och över motsvarar enhetens öppna tillstånd (direkt ledning);
grafen visar I–V-karakteristiken med olika styrströmmar I G (strömmar på tyristorns styrelektrod): I G =0; IG > 0; I G >>0. Ju större ström I G , desto lägre spänning Vvo, växlar tyristorn till ett ledande tillstånd;
den streckade linjen indikerar CVC-kurvan som motsvarar strömflödet I G >> 0 i kretsen - den så kallade "likriktningsströmmen". Med en sådan ström övergår tyristorn till ett ledande tillstånd vid en minimal potentialskillnad mellan anoden och katoden. För att överföra tyristorn till ett icke-ledande tillstånd är det nödvändigt att minska strömmen i anod-katodkretsen under hållströmmen IH ; [3]
CVC-kurvan i sektionen från V BR till 0 motsvarar enhetens omvända låsningsläge;
CVC-kurvan i området från - ∞ till V BR motsvarar det omvända nedbrytningsläget.

Ström-spänningskarakteristiken för symmetriska tyristorer skiljer sig från den som visas i fig. 2 genom att kurvan i den tredje fjärdedelen av grafen (nedre till vänster) upprepar sektioner från den första fjärdedelen (överst till höger) symmetriskt kring ursprunget (se CVC triac ).

Beroende på typen av olinjäritet hos CVC klassificeras tyristorn som S-enheter .

Driftlägen för en triodtyristor

Omvänt låsläge

Två huvudfaktorer begränsar nedbrytningslägena för bakåt och framåt:

lavinhaveri ;
punktering av den utarmade regionen .

I det omvända låsningsläget appliceras en spänning på anoden på anordningen , som är negativ med avseende på katoden; korsningarna J1 och J3 förskjuts i motsatt riktning, och korsningen J2 förskjuts i framåtriktningen (se fig. 3 ). I detta fall faller det mesta av den pålagda spänningen vid en av J1- eller J3-övergångarna (beroende på graden av dopning i de olika regionerna). Låt detta vara övergång J1. Beroende på tjockleken Wn1 av n1- skiktet, orsakas nedbrytningen av lavinförökning (tjockleken på det utarmade området under nedbrytningen är mindre än Wn1 ) eller av en punktering (det utarmade lagret sträcker sig över hela regionen n1, och övergångar J1 och J2 är stängda).

Direktlåsningsläge

Med direkt blockering är spänningen vid anoden positiv i förhållande till katoden och endast J2-övergången är omvänt förspänd. Övergångar J1 och J3 är framåtspända. Det mesta av den pålagda spänningen faller över J2-övergången. Genom korsningarna J1 och J3 sprutas minoritetsbärare in i områdena intill korsningen J2, vilket minskar motståndet i J2-övergången, ökar strömmen genom den och minskar spänningsfallet över den. Med en ökning av framspänningen växer strömmen genom tyristorn först långsamt, vilket motsvarar 0-1-sektionen på I–V-karakteristiken. I detta läge kan tyristorn anses vara låst, eftersom motståndet i J2-övergången fortfarande är mycket hög. När tyristorspänningen ökar, minskar andelen spänning som faller över J2 och spänningarna över J1 och J3 stiger snabbare, vilket orsakar en ytterligare ökning av strömmen genom tyristorn och ökad minoritetsbärarinjektion i J2-området. Vid ett visst spänningsvärde (i storleksordningen tiotals eller hundratals volt), kallad kopplingsspänningen V BF (punkt 1 på I–V-karakteristiken), blir processen lavinliknande, tyristorn går in i ett tillstånd med hög konduktivitet (slår på), och en ström ställs in i den, bestäms av källans spänning och externa kretsresistans.

Två-transistor tyristor modell

En tvåtransistormodell används för att förklara enhetens egenskaper i direktavstängningsläge. En tyristor kan ses som en förbindelse mellan en pnp- transistor och en npn-transistor, med kollektorn för var och en ansluten till basen av den andra, som visas i fig. 4 för triodtyristor. Den centrala p-n-övergången fungerar som en kollektor av hål som injiceras av J1-övergången och elektroner som injiceras av J3-övergången. Förhållandet mellan emitter- , kollektor- och basströmmar och den statiska strömförstärkningen för pnp-transistorn visas också i fig. 4 , där är den omvända mättnadsströmmen för kollektor-basövergången. $I_{E}$ $I_{C}$ $I_{B}$ $\alpha_{1}$ $I_{Co}$

Liknande samband kan erhållas för en npn-transistor när strömriktningen är omvänd. Från fig. 4 följer att kollektorströmmen för npn-transistorn också är basströmmen för pnp-transistorn. På liknande sätt flyter kollektorströmmen för pnp-transistorn och styrströmmen in i basen av npn-transistorn. Som ett resultat, när den totala förstärkningen i den slutna slingan överstiger 1, blir en lavinliknande process för att öka strömmen genom strukturen möjlig, medan spänningen på enheten blir lika med cirka 1 V och strömmen begränsas endast av motståndet hos den externa kretsen. ${\displaystyle I_{g))$

Basströmmen för pnp-transistorn är . Denna ström flyter också genom npn-transistorns kollektor. ${\displaystyle I_{B1}=(1-\alpha _{1})\cdot I_{A}-I_{Co1))$

Kollektorström av npn transistor med förstärkning är $\alfa_2$ $I_{C2}=\alpha _{2}\cdot I_{K}+I_{Co2}.$

Likställande och , vi får: $I_{B1}$ $I_{C2}$

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

Sedan dess: $I_{K}=I_{A}+I_{g},$

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

Denna ekvation beskriver enhetens statiska svar i spänningsområdet fram till genombrott. Efter haveri fungerar enheten som en stiftdiod . Observera att alla termer i täljaren på höger sida av ekvationen är små, så länge som den aktuella termen är liten. Koefficienterna beror på och ökar med ökande ström upp till dess höga värden. Om sedan nämnaren för fraktionen i formeln ovan för anodströmmen försvinner, ökar strömmen och ett direkt reversibelt genombrott inträffar (eller så slås tyristorn på). $\alpha _{1}+\alpha _{2}<1,$ $I_{A}$ $\alpha _{1},$ $\alfa_2$ $I_{A}$ $\alpha _{1}+\alpha _{2}=1,$

Om spänningspolariteten mellan anoden och katoden är omvänd, kommer J1 och J3 att vara förspända i omvänd riktning och J2 kommer att vara förspända framåt. Under sådana förhållanden slås inte enheten på, eftersom endast den centrala pn-övergången fungerar som en laddningsbärare, och den lavinliknande processen med nuvarande tillväxt blir omöjlig.

Bredden på de utarmade skikten och energibanddiagrammen i jämvikt, i de direkta blockerings- och direktledningslägena visas i Fig. 5 . Vid nollspänning på anordningen bestäms utarmningsområdet för varje övergång och kontaktpotentialerna endast av föroreningsfördelningsprofilen. När en positiv spänning appliceras på anoden tenderar J2-övergången att röra sig i motsatt riktning, medan J1- och J3-övergångarna tenderar att röra sig framåt. Spänningsfallet mellan anoden och katoden är lika med den algebraiska summan av spänningsfallen över korsningarna: . När spänningen ökar ökar strömmen genom enheten och följaktligen $V_{AK}=V_{1}+V_{2}+V_{3}$ $\alpha_{1}$ $\alpha _{2}.$

På grund av den regenerativa naturen hos dessa processer kommer enheten så småningom att gå in i ett öppet tillstånd. Efter att ha slagit på tyristorn måste strömmen som flyter genom den begränsas av det externa belastningsmotståndet, annars kommer tyristorn att misslyckas vid en tillräckligt hög ström. I påslaget läge är J2-övergången framåtspänd ( fig. 5c ), och spänningsfallet är ungefär lika med summan av spänningen vid en framåtförspänd pn-övergång och kollektor-emitterspänningen för den mättade transistorn. $V_{AK}=V_{1}-|V_{2}|+V_{3}$

Tvåtransistormodellen används inte bara för att studera och beskriva de processer som sker i tyristorn. Införandet av pnp och npn real transistorer enligt ovanstående diagram är en kretsanalog av en tyristor och används ibland i elektronisk utrustning.

Framåtledningsläge

När tyristorn är i påslaget läge är alla tre kopplingarna framåtspända. Hål injiceras från pl-regionen och elektroner från n2-regionen, och n1-p2-n2-strukturen uppför sig på samma sätt som en mättad transistor med diodkontakten borttagen till n1-regionen. Därför liknar enheten som helhet en stiftdiod (p + -in + ).

Effekt av dU/dt

När en spänning med direkt polaritet appliceras på tyristorns anod och katod med en stighastighet på mer än ett visst kritiskt värde, kommer pnpn-strukturen att öppnas även utan att öppningsströmmen tillförs styrelektroden. Denna effekt beror på den parasitiska kapacitansen mellan anoden och styrelektroden, laddningsströmmen för denna kapacitans med en ökning av anodspänningen öppnar sig in i styrelektrodens skikt. Denna effekt begränsar användningen av tyristorer i högfrekvenskretsar, men används ibland för att driva en tyristor i vissa kretsar. Parametern anges i referensdata för en specifik tyristormodell. $dU/dt>(dU/dt)_{\text{crit))$ $(dU/dt)_{\text{crit))$

di/dt-effekt

I det ögonblick som tyristorn öppnas längs kontrollelektroden, på grund av inhomogeniteter i enhetens halvledarkristall, börjar strömmen att flyta genom strukturen i en viss zon begränsad i area. Arean av den nuvarande flödeszonen ökar gradvis och så småningom börjar strömmen flyta genom hela korsningsytan. Om strömmen efter öppningen av tyristorn ökar mycket snabbt, det vill säga vid di/dt > (di/dt) crit , har inte zonen där strömmen flyter "tid" att expandera till hela korsningsområdet och därför , på den lokala platsen för det initiala strömflödet, når dess densitet värden , vid vilka förstörelsen av övergångar i strukturen på grund av termiskt sammanbrott och fel på enheten är möjlig. Därför, när man använder tyristorer, bör strömökningshastigheten begränsas. Parametern dicrit/dt är en referens och anges i katalogerna för varje tyristormodell.

Tyristorklassificering

Efter konduktivitet och antal ledningar [4] [5] [6] :

diodtyristor (extra namn " dinistor ") - en tyristor med två utgångar:
- tyristordiod, inte ledande i motsatt riktning;
- tyristordiod, ledande i motsatt riktning;
- symmetrisk diodtyristor ( Diak );
triode tyristor (extra namn "trinistor") - en tyristor med tre utgångar:
- triodtyristor, som inte leder i motsatt riktning (extra namn "tyristor");
- triodtyristor, ledande i motsatt riktning (extra namn "tyristordiod");
- symmetrisk triodtyristor (ett annat ryskt namn är " simistor ", engelska en: TRIAC [7] );
- asymmetrisk triodtyristor;
- låsbar tyristor (extra namn "omkopplingsbar triodtyristor").

Tidigare kallades tyristorer "kontrollerade dioder" i rysk litteratur.

Skillnaden mellan en dinistor och en trinistor

Det finns inga grundläggande skillnader mellan en dinistor och en trinistor, men om dinistorn öppnar när en viss spänning uppnås mellan anod- och katodterminalerna, beroende på typen av denna dinistor, kan öppningsspänningen i trinistorn reduceras speciellt genom att applicera en strömpuls av en viss varaktighet och ett visst värde på dess styrelektrod med en positiv potentialskillnad mellan anoden och katoden, och strukturellt skiljer sig trinistorn endast i närvaro av en styrelektrod. SCR är de vanligaste enheterna från "tyristor"-familjen.

Skillnaden mellan en triodtyristor och en låsbar tyristor

Omkoppling till det stängda tillståndet för konventionella tyristorer utförs antingen genom att reducera strömmen genom tyristorn till värdet Ih , eller genom att ändra polariteten för spänningen mellan katoden och anoden.

Låsbara tyristorer, till skillnad från konventionella tyristorer, kan under påverkan av strömmen från kontrollelektroden gå från ett stängt tillstånd till ett öppet tillstånd, och vice versa. För att stänga den låsbara tyristorn är det nödvändigt att passera en ström med motsatt polaritet genom kontrollelektroden än polariteten som fick den att öppnas.

Triac

En triac (symmetrisk tyristor) är en halvledarenhet, i sin struktur är den en analog till den antiparallella anslutningen av två tyristorer. Kan leda elektrisk ström i båda riktningarna.

Karakteristika för tyristorer

Moderna tyristorer tillverkas för strömmar från 1 mA till 10 kA ; för spänningar från flera tiotals volt till flera kilovolt; den framåtriktade strömhöjningshastigheten i dem når 10 9 A / s , spänning - 10 9 V / s , starttiden varierar från flera tiondelar till flera tiotals mikrosekunder, avstängningstid - från flera enheter till flera hundra mikrosekunder.

Vanliga ryska tyristorer inkluderar enheter KU202 ( 25-400 V , ström 10 A ), importerade - 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 ) och andra.

Inte alla tyristorer tillåter applicering av en backspänning som är jämförbar med den tillåtna framåtspänningen. Den kontrollerade effekten genom tyristorn kan nå upp till 100 MW.

Applikation

Tyristorer används som en del av följande enheter:

Anteckningar

↑ Solid State Electronics / Handledning. 7.7. Trinistor Arkiverad 13 januari 2019 på Wayback Machine .
↑ RADIO nr 3, 1986, sid. 41-42 . Tillträdesdatum: 28 januari 2016. Arkiverad från originalet 4 februari 2016. (obestämd)
↑ E. B. Gumelya, G. N. Dzhunkovsky, Yu. A. Indlin, L. M. Kapchinsky, V. G. Korolkov, Ya. S.K., Terekhov V.A., Tolkacheva Ya.A. "Handbok för en radioamatör-designer" Under den allmänna. ed. R.M. Malinina. M., "Energy", 1973. S.325
↑ GOST 15133-77 Halvledarenheter. Termer och definitioner.
↑ GOST 2.730-73 Halvledarenheter. Symboler är villkorade i grafiska scheman.
↑ GOST 20859.1-89 Krafthalvledarenheter. Allmänna specifikationer.
↑ Evseev Yu. A., Krylov S. S. Triacs och deras användning i elektrisk hushållsutrustning. Moskva: Energoatomizdat, 1990

Litteratur

GOST 15133-77. Halvledarenheter. Termer och definitioner.
Kublanovskiy. Ya.S. Thyristor-enheter. - 2:a uppl., reviderad. och ytterligare - M .: Radio och kommunikation, 1987. - 112 s.: ill. - (Massradiobibliotek. Nummer 1104).
Stepanenko IP Grunderna i teorin om transistorer och transistorkretsar. - M . : Energi, 1977.
Gerlach V. Tyristorer. — M .: Energoatomizdat, 1985.

Länkar

Tyristorer: funktionsprincip, design, typer och metoder för inkludering.
Styrning av tyristorer och triacer genom en mikrokontroller eller digital krets.
Omvandlare i strömförsörjningssystem.
Rogachev KD Moderna kraftlåsbara tyristorer.
Inhemska analoger av importerade tyristorer.
Referensböcker om tyristorer och analoger. Byte av tyristorer, byte av dioder. Zenerdioder.
BTA16-600B är den vanligaste utländska triacen för pulsbredds- eller nyckelstyrning av laster anslutna till ett hushållsnätaggregat.

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Britannica (online) Treccani
I bibliografiska kataloger	BNF : 11933674d GND : 4060020-8 J9U : 987007536577305171 LCCN : sh85135157 NKC : ph538431

Elektroniska komponenter
Passiv	Motstånd Variabelt motstånd Trimmermotstånd Varistor fotoresistor Kondensator variabel kondensator Trimmer kondensator Varikond Induktor Transformator Kvartsresonator Säkring Återställbar säkring memristor baretter
Aktivt fast tillstånd	Diod Ljusdiod Fotodiod laserdiod Schottky diod zenerdiod Stabistor Varicap Magnetodiod Diodbro Gunn diod tunnel diod Lavindiod Lavindiod Transistor bipolär transistor Fälteffekttransistor CMOS transistor unijunction transistor Fototransistor Komposittransistor ballistisk transistor Integrerad krets Digital integrerad krets Analog integrerad krets Analog-Digital integrerad krets hybrid integrerad krets Tyristor Triac Dinistor fototyristor Optokopplare ( motståndsoptokopplare ) Hallsensor
Aktivt vakuum och gasurladdning	Vakuumlampor Elektrovakuumdiod ( Kenotron ) Triod tetrode stråltetrode Pentode hexod Heptod ( Pentagrid ) Octod Nonod mekatron Urladdningslampor zenerdiod Thyratron Ignitron Krytron Trigatron Decathron Magnetron Klystron Amplitron ( Platinotron ) Resande våglampa Bakvågslampa Katodstrålerör
Visa enheter	Katodstrålerör LCD skärm Ljusdiod Urladdningsindikator Vakuum fluorescerande indikator Blinker resultattavla Sjusegmentsindikator Matrisindikator Kinescope
Akustisk	Mikrofon Högtalare Töjningsmätare Piezkeramisk emitter Summer telefonkapsel
Termoelektrisk	Termistor Termoelement Peltier-elementet

Elektriska strömlikriktare
med rörliga delar	motorgenerator Synkron vibrationsgivare
Flytande	läsk plattång syralikriktare
gasutsläpp	gastron Ignitron Excitron Thyratron
Elektrovakuum	Kenotron
Halvledare	selenlikriktare Diod Tyristor