TIRISTORIAI

Tiristoriais vadinami ketursluoksniai pnpn struktūros puslaidinin­kiniai įtaisai. Pagal elektrodų ir išvadų skaičių tiristoriai skirstomi į diodinius tiristorius, arba dinistorius, triodinius tiristorius, arba trinistorius, ir tetrodinius tiristorius, arba binistorius. Tiristoriai turi voltamperinės charakteristikos dalį, kurioje tiristoriaus diferencialinė varža yra neigiama. Dažniausiai sutinkami katodinio arba anodinio valdymo trinistoriai (1 pav.), praktikoje vadinami tiesiog tiristoriais.

Aptarsime tiristorių veikimą, savybes ir atmainas.

1. Sandara ir veikimas

2 paveiksle, a atvaizduota dinistoriaus sandara. Kraštinės dinistorinio darinio sritys vadinamos p emiteriu ir n emiteriu. Tarp emiterių esančios sritys vadinamos bazėmis. Prie p emiterio prijungtas metalinis elektrodas vadinamas anodu, prie n emiterio – katodu.

2 paveiksle, b, atvaizduota dinistoriaus voltamperinė charak­teristika. Jos atgalinė šaka panaši į pn sandūros voltamperinės charakteristikos atgalinę šaką. Veikiant atgalinei įtampai, 1 ir 3 dinistoriaus sandūros yra uždaros, ir per įtaisą teka tik silpna atgalinė srovė. Veikiant didelei atgalinei įtampai, atgalinė srovė stiprėja dėl pn sandūrų pramušimo.

Dinistoriaus tiesioginė įtampa 1 ir 3 sandūroms yra tiesioginė, o 2 sandūrai – atgalinė. Todėl voltamperinės charakteristikos tiesioginės šakos pradinė dalis (tarp taškų 0 ir 1) taip pat primena puslaidininkinio diodo voltamperinės charakteristikos atgalinę šaką. Tiesioginei įtampai pasiekus įsijungimo įtampą, prasideda dinistoriaus įsijungimo procesas.

Nagrinėjant įsijungimą, dinistorius pakeičiamas ekvivalentine grandine, sudaryta iš pnp ir npn tranzistorių (3 pav, a). Srovė , tekanti per 2 sandūrą, išreiškiama formule:

; (1)

čia – tranzistoriaus T₁ emiterio srovės perdavimo koeficientas, – tranzistoriaus T₂ emiterio srovės perdavimo koeficientas, – uždaros 2 sandūros atgalinė srovė.

Dinistoriuje visos trys sandūros sujungtos nuosekliai. Todėl . Tada pagal (1) formulę dinistoriaus srovė išreiškiama formule:

. (2)

Kol tranzistoriaus emiterio srovė silpna, jo emiterio srovės perdavimo koeficientas, kaip žinome, yra mažas. Jei , tai pagal (2) .

Kylant tiesioginei dinistoriaus įtampai, plečiasi jo 2 sandūra ir plonėja ekvivalentinės grandinės tranzistorių bazės. Stiprėjant emiterio srovei ir plonėjant bazei, tranzistoriaus emiterio srovės perdavimo koeficientas didėja. Sumai artėjant prie vieneto, pagal (2) srovė sparčiai stiprėja, ir dinistorius pradeda įsijungti. Įsijungimo procesą atitinka voltamperinės charakteristikos dalis tarp 1 ir 2 taškų. Šioje charakteristikos dalyje dinistoriaus srovė stiprėja, o tiesioginė įtampa mažėja.

Įsijungimo procesą iliustruoja ekvivalentinė grandinė, atvaizduota 3 paveiksle, b. Sakykime, kad npn tranzistoriaus T₂ bazės srovė šiek tiek sustiprėjo. Tada bazės srovės pokytis sukelia tranzistoriaus kolektoriaus srovės pokytį . Tačiau tranzistoriaus T₂ kolektoriaus srovė yra pnp tranzistoriaus T₁ bazės srovė. Todėl srovės pokytį dar sustiprina pnp tranzistorius. Jo kolektoriaus srovės pokytis (kartu ir tranzistoriaus T₂ bazės srovės pokytis) yra daug didesnis už pradinį tranzistoriaus T₂ bazės srovės pokytį. Taigi grandinėje susidaro teigiamas grįžtamasis ryšys, ir per dinistorių tekanti srovė sparčiai stiprėja. Jeigu nuosekliai dinistoriui yra įjungtas rezistorius, didėja įtampos kritimas jo varžoje, o dinistoriaus įtampa mažėja. Pasibaigus įsijungimo procesui, abu ekvivalentinės grandinės (3 pav., b) tranzistoriai visiškai atsiveria (susidaro jų soties veikos sąlygos). Srovės stiprumą grandinėje tada riboja nuosekliai dinistoriui įjungto grandinės elemento varža.

Įsijungus dinistoriui, jo voltamperinė charakteristika (tarp 2 ir 3 taškų) yra panaši į puslaidininkinio diodo voltamperinės charakteristikos tiesioginę šaką.

Tiesioginei srovei susilpnėjus iki (čia – palaikomoji srovė, angl. – holding current), prasideda dinistoriaus išsijungimas – pradėjus veikti teigiamam grįžtamajam ryšiui, ekvivalentinės grandinės tranzistoriai, vadinasi, ir dinistorius užsidaro.

Voltamperinės charakteristikos dalyje tarp 2 ir 3 taškų dinistoriaus diferencialinė varža yra neigiama. Šią voltamperinės charakteristikos dalį įmanoma išmatuoti, jeigu matavimo grandinėje nuosekliai dinistoriui įjungta pakankamai didelė varža . Jeigu , tai dinistoriaus įsijungimo ir išsijungimo metu grandinėje gaunami srovės ir įtampos šuoliai.

Kai žinome per dinistorių tekančią srovę, jo įtampą galime rasti pagal voltamperinę charakteristiką:

. (3)

Kita vertus, kai prie maitinimo šaltinio prijungta grandinė, sudaryta iš dinistoriaus ir rezistoriaus (4  pav.), dinistoriaus įtampa išreiškiama formule:

. (3)

čia – šaltinio elektrovara.

Jeigu būtų sudarytos tuščiosios veikos sąlygos (per dinistorių srovė netekėtų), tai gautume, kad ir . Jeigu būtų dinistoriaus trumpasis jungimas, tai būtų , ir grandinėje tekėtų srovė . Pažymėję dinistoriaus voltamperinės charakteristikos grafiko ašyse taškus, atitinkančius tuščiąją veiką ir trumpąjį jungimą, per šiuos taškus galime nubrėžti apkrovos tiesę (4 pav., b). Šios tiesės susikirtimo su dinistoriaus voltamperine charakteristika taškai atitinka (3) ir (4) lygčių sistemos sprendinius.

Sakykime, kad, įjungę tiesioginę įtampą, mažiname varžą . Tada darbo taškas juda pradine dinistoriaus voltamperinės charakteristikos tiesioginės šakos dalimi, kol pasiekia tašką A (5 pav., a). Dar sumažėjus varžai , prasideda dinistoriaus įsijungimas. Jam pasibaigus, grandinės būsena atitinka tašką B. Dar mažėjant varžai , darbo taškas kyla voltamperinės charakteristikos šaka į viršų.

Jeigu, esant atviram dinistoriui, varžą didiname, darbo taškas jo voltamperine charakteristika leidžiasi žemyn iki taško C (5 pav., b). Šiame taške prasideda dinistoriaus išsijungimo procesas, dinistoriaus varža didėja. Todėl per dinistorių tekanti srovė silpnėja, o jo įtampa didėja, darbo taškas juda iš C į D. Dinistoriui išsijungus ir didinant varžą , apkrovos tiesė artėja prie abscisių ašies. Darbo taškas slenka pradine voltamperinės charakteristikos dalimi link koordinačių pradžios taško 0.

Taigi dinistoriaus voltamperinės charakteristikos dalį tarp taškų 1 ir 2 (2 pav., b) įmanoma išmatuoti tik tuomet, kai tenkinama sąlyga ir maitinimo šaltinio elektrovara yra pakankamai didelė. Tada, mažinant varžą , darbo taškas gali nuosekliai slinkti dinistoriaus voltamperine charakteristika (5 pav., c).

Iš aptarimo matyti, kad 2 paveiksle, b, pažymėtos dinistoriaus voltamperinės charakteristikos dalys atitinka penkias jo būsenas: didelės tiesioginės varžos (tarp taškų 0 ir 1), neigiamos diferencialinės varžos (1–2), didelio tiesioginio laidumo (2–3), didelės atgalinės varžos (0–4) ir pramušimo (4–5).

2. Tiristorių atmainos

Dinistoriaus įjungimo įtampą galima valdyti šviesa. Apšvietus fotodinistoriaus bazę, padidėja krūvininkų koncentracija bazėje, sustiprėja dinistoriaus ekvivalentinės grandinės tranzistoriaus srovė, padidėja jo srovės perdavimo koeficientas, ir įsijungimas prasideda veikiant mažesnei anodo įtampai.

Triodinis tiristorius – trinistorius – įjungimo valdymui turi valdymo elektrodą. Valdymo elektrodas jungiamas prie vienos iš bazių (6 pav.). Taigi yra katodinio ir anodinio valdymo trinistorių.

Kai valdymo elektrodo srovė neteka, trinistoriaus voltamperinė charakteristika (7 pav.) yra analogiška dinistoriaus voltamperinei charakteristikai. Pradėjus tekėti valdymo srovei, sumažėja trinis­toriaus įsijungimo įtampa.

Trinistorių taip pat galima pakeisti ekvivalentine grandine, sudaryta iš dviejų tranzistorių (8 pav.). Pradėjus tekėti valdymo srovei , tranzistoriaus T₂ atsiveria ir priverčia atsiverti visą trinistorių. Atviram trinistoriui valdymo srovė neturi įtakos. Todėl valdymo srovė gali būti impulso pavidalo. Kai valdymo impulsas nebeveikia, trinistorių galima išjungti mažinant anodinės srovės stiprį arba išjungus anodinę įtampą.

Nuo 1956 metų, kada firmoje Bell Telephone Laboratories buvo sukurtas trinistorius, pasiūlyta daug pnpn įtaisų atmainų. Yra trinistorių, kuriuos galima išjungti neigiamu valdymo impulsu. Tetrodiniai tiristoriai – binistoriai – turi abiejų bazių išvadus. n bazę galima panaudoti tiristoriaus įjungimui arba išjungimui. Taigi yra išjungiamųjų tiristorių. Dar yra atgaline kryptimi laidžių tiristorių.

Nors daugiasluoksniai pnpn įtaisai jau seniai žinomi, lietuviška terminija dar nenusistovėjo. Beje, tiristorių terminai labai įvairuoja ir kitose kalbose. Anglų kalboje trinistoriai dažniausiai vadinami valdomaisiais silicio lygintuvais (SCR – silicon controlled rectifier).

Atskirą tiristorių grupę sudaro simetriniai tiristoriai. Diodinio simetrinio tiristoriaus – diako – sandara atvaizduota paveiksle, a. Diaką sudaro 5 sritys. Jį galima nagrinėti kaip lygiagrečiai, bet priešingomis kryptimis sujungtus dinistorius (9 pav., b). Kai veikia vieno poliškumo įtampa, diako voltamperinę charakteristiką lemia vieno dinistoriaus voltamperinės charakteristikos tiesioginė šaka, kai veikia kito poliškumo įtampa – kito dinistoriaus voltamperinės charakteristikos tiesioginė šaka. Todėl diako voltamperinė charakteristika yra simetrinė (10 pav.). Simetriniai triodiniai tiristoriai vadinami triakais.

Tiristorių savybėms nusakyti vartojama apie 30 parametrų. Svarbiausieji iš jų: įjungimo įtampa, išjungimo srovė, įjungimo trukmė, išjungimo trukmė, leidžiamoji tiesioginė srovė, leidžiamoji atgalinė įtampa, didžiausias darbo dažnis.

Silicio tiristorių leidžiamoji tiesioginė srovė esti nuo kelių miliamperų iki kelių kiloamperų, leidžiamoji atgalinė įtampa – nuo kelių voltų iki kelių kilovoltų. Trinistorių įjungimo trukmė būna nuo šimtųjų mikrosekundės dalių iki keleto mikrosekundžių, išjungimas trunka ilgiau – nuo vienetų iki šimtų mikrosekundžių. Taigi tiristorių veikimo sparta esti nedidelė, maksimalus darbo dažnis būna iki dešimčių kilohercų.

Tiristoriai gaminami įvairiais būdais. 11 paveiksle, a, atvaiz­duota difuzinio-lydytinio dinistoriaus struktūra. Kaip pagrindas panaudota silpnai legiruoto n puslaidininkio plokštelė. Terminės aliuminio difuzijos būdu joje sudaryta p bazės sritis, terminės boro difuzijos būdu – p⁺ emiterio sritis. Įlydimo būdu sudarytas n emiteris. 10 paveiksle, b, apvaizduota epitaksinio-difuzinio trinistoriaus sandara. Toks trinistorius gaminamas panašiai kaip epitaksinis-difuzinis tranzistorius: ant p⁺ pagrindo užauginamas n epitaksinis sluoksnis, kuriame terminės priemaišų difuzijos būdu sudaromos p ir n⁺ sritys.

Tiristoriai naudojami elektronikos, automatikos, pramoninės elektronikos grandinėse, elektros pavarose ir pan.

3. Išvados

Tiristoriais vadinami pnpn struktūros įtaisai. Tiristorius turi voltamperinės charakteristikos dalį, kurioje jo diferencialinė varža yra neigiama. Yra daug tiristorių atmainų.

Paprasčiausias pnpn struktūros įtaisas yra dinistorius, dar kartais vadinamas Šoklio (Shockley) diodu. Jis įsijungia (atsiveria, persijungia iš didelės tiesioginės varžos būsenos į didelio tiesioginio laidumo būseną), kai teigiama anodo įtampa pasiekia įsijungimo įtampą, ir išsijungia, kai srovė tampa silpnesnė už palaikymo srovę.

Galimos penkios dinistoriaus būsenos: didelės tiesioginės varžos, neigiamos diferencialinės varžos, didelio tiesioginio laidumo, didelės atgalinės varžos ir pramušimo.

Nagrinėjant veikimą, dinistorių galima pakeisti ekvivalentine grandine, sudaryta iš pnp ir npn tranzistorių. Specifines dinistoriaus savybes lemia teigiamas grįžtamasis ryšys.

Praktikoje dažniausiai naudojami pnpn įtaisai – tai katodinio valdymo trinistoriai. Trinistoriaus įsijungimo įtampa priklauso nuo valdymo srovės. Atviram trinistoriui valdymo srovė dažniausiai neturi įtakos. Todėl trinistoriaus įjungimui pakanka srovės impulso. Trinistorius išsijungia sumažinus per jį tekančios srovės stiprį.

4. Kontroliniai klausimai

Aptarkite dinistoriaus sandarą ir jo voltamperinę charakteristiką.

Nubrėžkite dinistoriaus voltamperinę charakteristiką ir paaiškinkite jos eigą.

Apibūdinkite sąlygas, kuriose prasideda dinistoriaus įsijungimas.

Kaip dinistorių galima perjungti į didelio laidumo būseną? Kaip galima jį išjungti?

Apibūdinkite trinistoriaus sandarą.

Sudarykite trinistoriaus ekvivalentinę grandinę ir paaiškinkite jo atsivėrimo procesą.

Paaiškinkite trinistoriaus užsidarymo sąlygas.

Aptarkite tiristorių atmainas ir taikymo sritis.

Kas yra diakai ir triakai?

Aptarkite tiristorinių darinių formavimo būdus.

Tiristoriai 2001.05.31 11:09 2001.10.18 15:57 2001.11.12