Схемы замещения тиристора двумя транзисторами. Занимательные эксперименты: семейство тиристоров

Рис. 11.5 Разрез (а), структурная (б) и принципиальная (в) схемы замещения тиристора двумя транзисторами

Для объяснения теории работы тиристора широко используют схему замещения двумя транзисторами VT1 и VT2 (рис.11.5). В этой схеме тиристор мысленно разрезается и раздвигается по переходу j 2 на два транзистора VT1–p 1 –n 1 –p 2 , VT2–n 1 –p 2 –n 2 , соединенных между собой по схеме с ОЭ. При этом для объяснения работы данной схемы можно выделить две цепи: первая цепь – замыкающаяся через Э1-Б1-К2-Э2, вторая цепь – Э1-К1-Б2-Э2.

Рассмотрим основные соотношения между токами транзисторов в схеме замещения.

11.7.1 Принцип работы тиристора по схеме замещения при IG=0

Рассмотрим работу схемы замещения при токе управления IG=0.

Из схемы (рис. 11.5, в) видно:

Ток IК1 в VT1 I K1=IЭ1∙α1+IKO1 (11.1)

Ток IК1 одновременно является IБ2 , т.е. IБ2=IК1 (11.2)
Ток IК2VT2 равен IK2=IЭ2∙α2+IKO2 (11.3)
Ток IК2 одновременно является IБ1 , т.е. IБ1=IK2 (11.4)
где IЭ1, IБ1, IК1 – токи эмиттера, базы и коллектора VT1;

IЭ2, IБ2, IК2 – токи эмиттера, базы и коллектора VT2;

α1, α2 – коэффициенты передачи тока VT1 и VT2;

IKO1, IKO2 – обратный коллекторный ток VT1 и VT2.

Обозначим через ID общий ток утечки p–n перехода j2 , тогда

ID=IKO1+IKO2 . (11.5)
Из схемы замещения можно записать, что ток анода IA и катода IK равны:

IA = IK=IЭ1=IЭ2= IK1+ IK2 ; (11.6)

Подставим значение IK1 и IK2 из (11.1) и (11.3) получим:

IA = IA∙α1+ IA∙α2+ID ; (11.7)

Решим уравнение (11.7) относительно IA найдем

IA=ID /(1–(α1+α2)). (11.8)

Формула (11.8) является основным уравнением для объяснения физических процессов в тиристоре. Используя ее, рассмотрим особенности работы тиристора на участке ОА, когда тиристор закрыт, на АВ – процесс открытия, ВС – включенное состояние.

В транзисторах при малых значениях токов IЭ и IK коэффициенты α1 и α2 малы и (α1+ α2 ) < 1, т.е транзисторы VT1 и VT2 закрыты (тиристор закрыт) – участок ОА ВАХ (рис. 11.3).

С ростом тока IA , а следовательно IЭ1 , IK1 , IЭ2 и IK2

(α1+ α2 ) ≥ 1. (11.9)

Это объясняется тем, что через переход j 2 протекает незначительный ток утечки I D (мА или мкА), поэтому ток I K 1 =I Э1 α 1 будет очень мал. Следовательно, ток I Б2 =I К1 также мал и VT2 практически закрыт, поэтому ток по цепи 1 будет очень мал. Так как VT2 закрыт, то ток по цепи 2 будет мал, следовательно, VT1 будет практически закрыт, т.е. VT1 и VT2 удерживают друг друга в закрытом состоянии.

Напряжение между А и К уменьшается до падения напряжения на открытых переходах j1 , j2 , j3 (участок ВС ВАХ). При дальнейшем увеличении напряжения UF ВАХ тиристора аналогична ВАХ диода – участок CD.

11.7.2 Принцип работы тиристора при IG>0 (по схеме замещения)

Рассмотрим работу тиристора по схеме замещения при включении тока управления IG . В этом режиме под действием напряжения управления UG электроны из области n2 дополнительно инжектируются в область p2 , поэтому ток через j2 возрастает.

Для этого режима можно записать следующее уравнение:

IА=IК=IАa1+IАa2+IGa2+ID . (11.11)

Откуда, решив (11.11) относительно IA

IА=(ID+IGa2)/ (11.12)

Из (11.11) видно, что за счет тока IG нарастание тока IА происходит быстрее и a1+a2 приближается к 1 при меньших напряжениях UF . При токе IG2>IG1 напряжение переключения U(ВО)2 тиристора в открытое состояние происходит при меньшем значении U(ВО)1 .

Если IG=IGT , называемым отпирающим током управления, то ВАХ тиристора будет повторять ВАХ диода (рис. 11.3).

11.8 Конструктивное выполнение штыревого тиристора

Как и силовые диоды, тиристоры выполняются двух модификаций: штыревые и таблеточные. Отличительной особенностью от диодов служит изолированный вывод управляющего электрода (УЭ).

Недостаток конструкции: выпрямительный элемент жестко припаян к конструкции. У таблеточных тиристоров он как бы “плавает” (это хорошо).

Динистор — это двухэлектродный прибор, разновидность тиристора и, как я уже говорил, не полностью управляемый ключ, который можно выключить, только снизив ток, проходящий через него. Состоит он из четырех чередующихся областей различного типа проводимости и имеет три np-перехода. Соберем гипотетическую схему, похожую на ту, что мы использовали для изучения диода, но добавим в нее переменный резистор, а диод заменим динистором:

Итак, сопротивление резистора максимально, прибор показывает «0». Начинаем уменьшать сопротивление резистора. Напряжение на динисторе растет, ток по-проежнему не наблюдается. При дальнейшем уменьшении сопротивления в определенный момент времени на динисторе окажется напряжение, которое в состоянии его открыть (U откр ). Динистор тут же открывается и величина тока будет зависеть лишь от сопротивления цепи и самого открытого динистора – «ключ» сработал.

Как же закрыть ключ? Начинаем уменьшать напряжение – ток уменьшается, но только за счет увеличения сопротивления переменного резистора, состояние динистора остается прежним. В определенный момент времени ток через динистор уменьшается до определенной величины, которую принято называть током удержания (I уд ). Динистор мгновенно закроется, ток упадет до «0» — ключ закрылся.

Таким образом динистор открывается, если напряжение на его электродах достигнет U откр и закрывается, если ток через него меньше I уд. Для каждого типа динистора, само собой, эти величины различны, но принцип работы остается один и тот же. Что произойдет если динистор включить «наоборот»? Собираем еще одну схему, поменяв полярность включения батареи.

Сопротивление резистора максимально, тока нет. Увеличиваем напряжение – тока все равно нет и не будет до тех пор, пока напряжение на динисторе не превысит максимально допустимое. Как только привысит – динистор просто сгорит. Попробуем то, о чем мы с вами говорили, изобразить на координатной плоскости, на которой по оси Х отложим напряжение на динисторе, по Y — ток через него:

Таким образом, в одну сторону динистор ведет себя как обычный диод в обратном включении (просто заперт, закрыт), в другую лавинообразно открывается но лишь при определенном на нем напряжении или так же закрывается, как только ток через открытый прибор снизится ниже заданного паспортного значения.

Таким образом, основные параметры динистора можно свести к нескольким значениям:

— Напряжение открывания;
— Минимальный ток удержания;
— Максимально допустимый прямой ток;
— Максимально допустимое обратное напряжение;
— Падение напряжени на открытом динисторе.

Наряду с приборами, предназначенными для линейного усиления сигналов, в электронике, в вычислительной технике и особенно в автоматике широкое применение находят приборы с падающим участком вольт-амперной характеристики. Эти приборы чаще всего выполняют функции электронного ключа и имеют два состояния: закрытое, характеризующееся высоким сопротивлением; и открытое, характеризующееся минимальным сопротивлением.

Рассмотрим работу диода, состоящего из четырех чередующихся -слоев (Рис. 1.26).

Если в устройстве нет возможности установить требуемый динис- тор, можно пойти по другому пути и собрать схему, приведенную на Рис. 1.28.

Электронные устройства с динисторами (многие из этих устройств являются источниками питания и преобразователями напряжения) имеют такие преимущества; как малая рассеиваемая мощность и высокая стабильность выходного напряжения. Одним из недостатков является ограниченный выбор выходных напряжений, обусловленный напряжением включения (открывания) динисторов. Устранение этого недостатка - задача разработчиков и производителей современной элементной базы динисторов.

Снабдим одну из баз динистора, например щ, внешним выводом и используем этот третий электрод для задания дополнительного тока через переход р\-щ. Для реальных четырехслойных структур характерна различная толщина баз. В качестве управляющей используется база, у которой коэффициент передачи оц близок к единице. В этом случае прибор будет обладать свойствами тиратрона. Для такого прибора, или тиристора, используется та же терминология, что и для обычного транзистора: выходной ток называется коллекторным, а управляющий - базовым. Эмиттером считается слой, примыкающий к базе, хотя с физической точки зрения эмиттером является и второй внешний слой, в данном случае - п 2 .

При увеличении управляющего тока Iq напряжение прямого переключения уменьшается, отчасти возрастает ток прямого переключения и уменьшается ток обратного переключения. В результате отдельные кривые с ростом тока 1(, как бы «вписываются» друг в друга вплоть до полного исчезновения отрицательного участка (такую кривую называют спрямленной характеристикой).

Мощные используются в качестве контакторов, коммутаторов тока, а также в преобразователях постоянного напряжения, инверторах и выпрямительных схемах с регулируемым выходным напряжением.

Время переключения у тиристоров значительно меньше, чем у тиратронов. Даже у мощных приборов (с токами в десятки ампер и больше) время прямого переключения составляет около 1 мкс, а время обратного переключения не превышает 10…20 мкс. Наряду с конечной длительностью фронтов напряжения и тока имеют место задержки фронтов по отношению к моменту подачи управляющего импульса. Наряду с мощными тиристорами разрабатываются и маломощные варианты. В таких приборах время прямого переключения составляет десятки, а время обратного переключения - сотни наносекунд. Столь высокое быстродействие обеспечивается малой толщиной слоев и наличием электрического поля в толстой базе. Маломощные быстродействующие используются в различных спусковых и релаксационных схемах.

Серийно выпускаемые динисторы по электрическим параметрам не всегда отвечают творческим интересам радио­любителей-конструкторов Нет, например, динисторов с напряжением вклю­чения 5...10 и 200...400 В. Все дииисторы имеют значительный разброс значения этого классификационного параметра, который к тому же зависит еще от тем­пературы окружающей среды Кроме то­го. они рассчитаны на сравнительно малый коммутируемый ток (менее 0.2 А), а значит, небольшую комму­тируемую мощность. Исключено плав­ное регулирование напряжения включения, что ограничивает область при­менения динисторов. Все это заставляет радиолюбителей прибегать к созданию аналогов динисторов с желаемыми па­раметрами.

Поиском такого аналога дииистора длительное время занимался и я. Исходным был вариант аналога, состав­ленный из стабилитрона Д814Д и тринистора КУ202Н (рис i).

Пока напряжение на аналоге меньше напряжения стабилизации стабилитрона, аналог закрыт и ток через него не течет. При достижении напряжения стабилизации стабилитрона он открывается сам, от крывает триннстор и аналог в целом. В результате в цепи, в которую аналог включен, появляется ток. Значение это­го тока определяется свойствами тринистора н сопротивлением н aг рузки. Ис­пользуя тринисторы серии КУ202 с буквенными индексами Б, В, Н и один и тот же стабилитрон Д814Д, произведено 32 измерения тока и напряжения вклю­чения аналога дииистора. Анализ показывает. что среднее значение тока включения аналога равно примерно 7 мА. а напряжения включения - 14,5±1 В. Разброс напряжении вклю­чения объясняется неодинаковостью со­противления управляющих р-н перехо­дов используемых трннисторов.

Напряжение включения uвкл , такого аналога можно рассчитать по упрощенной формуле: uвкл =uст+ u yэ где uст - напряжение стабилизации стабилитрона, uуэ - падение наприжения на управляющем переходе тринистора.

При изменении температуры трини­стора падение напряжения на его управляющем переходе тоже изменя­ется, но незначительно. Это приводит к некоторому изменению напряжения включения аналога. Например, для три­нистора КУ202Н при изменении темпе­ратуры его корпуса от 0 до 50 °С на­пряжение включения изменялось в пре­делах 0.3...0,4 % по отношению к значе­нию этого параметра при темперагуре 25 С.

Семейство вольт - амперных характеристик такого варианта аналога показано на рис. 3, их пусковой участок - на рис 4. а зависимость напряжения включения от сопротивления резистора - на рис 5. Как показал анализ напряжение вклю­чения такого аналога прямо пропор­ционально сопротивлению резистора. Это напряжение можно рассчитать по формуле uвкл.р = uст+uуэ+iвкл.уэ*r1 где uв кл р - напряжение включения ре -гулируемого аналога, iвкл у э - ток включения регулируемого аналога ди­иистора по управляющему электроду.

Такой аналог свободен практически от всех недостатков динисторов, кро­ме температурной нестабильности Как известно, при повышении температуры тринистора его ток включения умень­шается. В регулируемом аналоге это приводит к уменьшению напряжения включения и тем значительнее, чем больше сопротивление резистора. По­этому стремиться к большому повышению напряжения включения перемен­ным резистором не cneдуeт, чтобы не ухудшать температурную стабильность работы аналога.

Как показали эксперименты, эта не­стабильность небольшая. Так, для ана­лога с тринистором КУ202Н при изме­нении температуры его корпуса в пределах 10...30 °С напряжение включения изменялось, с резистором i кОм - на ±1.8 %. при 2 кОм - на ±2,6 %, при 3 кОм - на ±3 %, при 4 кОм - на ±3,8 % . Увеличение сопротивления на i кОм приводило к повышению напря­жения порога включения регулируемого аналога в среднем на 20% по сравнению с напряжением включения исход­ного аналога динистора. Следовательно, средняя точность напряжения вклю­чения регулируемого аналога луч­ше 5 %.

Температурная нестабильность ана­лога с триннстором КУ101Г меньше, что объясняется относительно малым током включения (0,8...1,5 мА). Напри­мер. при таком же изменении температуры и резисторе сопротивлением 10, 20, 30 и 40 кОм температурная нестабильность была соответственно +-0.6 %, +-07.%, +-0.8%,+-1%. Уве­личение сопротивления резистора на каждые 10 кОм повышало уровень напряжения включения аналога на 24 % по сравнению с напряжением аналога без резистора. Таким образом, аналог с тринистором КУ101Г обладает высо­кой точностью напряжения включе­ния - его температурная нестабиль­ность менее i %, а с тринистором КУ202Н - несколько худшей точностью напряжения включений (в этом случае сопротивление резистора ri должно быть 4,7 кОм).

При обеспечении теплового контакта между тринистором и стабилитроном температурная нестабильность аналога может быть еще меньшей, поскольку у стабилитронов с напряжением стабили­зации больше 8 В температурный коэф­фициент напряжения стабилизации по­ложителен, а температурный коэффи­циент напряжения открывания тринисторов отрицателен.

Повысить термосгабильность регу­лируемого аналога дииистора с мощным тринистором можно включением переменного резистора в анодную цепь маломощного тринистора (рис. б).

Ре­зистор r 1 ограничивает ток управляю­щего электрода тринистора vsi и повышает напряжение включения его на 12%. А переменный резистор r 2 по­зволяет регулировать напряжение включения трниистора vs 2.

Улучшение температурной стабиль­ности такого варианта аналога обьясняется тем, что с увеличением сопро­тивления резистора r 2 уменьшается ток включения аналога но управляю­щему электроду и увеличивается ток включения ею по аноду. А так как с изменением температуры в этом случае ток управляющего электрода уменьша­ется меньше и что суммарный ток вклю­ чения аналога увеличивается, то для эквивалентного повышения напряжения включения аналога нужно меньшее соп­ротивление резистора r 2 - это и созда­ет благоприятные условия для повы­шения температурной стабильности аналога.

Чтобы реализовать термостабиль­ность такого аналога, ток открывания тринистора vs 2 должен быть 2...3 мА - больше тока открывания тринистора vs1 , чтобы его температурные измене­ния не влияли на работу аналога. Эксперимент показал, что напряжение включения термостабильного аналога при изменении температуры его элемен­тов от 20 до 70 °С практически не из­менилось.

Недостаток такого варианта аналога динистора - сравнительно узкие пре­делы регулировки напряжения включе­ния переменным резистором r 2. Они тем уже, чем больше ток включения тринистора vs 2. Поэтому, чтобы не ухуд­шать термостабильность аналога, надо использовать в нем тринисторы с воз­можно меньшим током включения. Диа­пазон регулировки напряжения включе­ния аналога можно расширить путем применения стабилитронов с различным напряжением стабилизации.

Регулируемые аналоги динистора найдут применение в автоматике и теле­механике, релаксационных генераторах, электронных регуляторах, пороговых и многих других радиотехнических устрой­ствах

Раздел: [Регуляторы мощности]
Сохрани статью в:

Схема аналога тиристора (диодного и триодного) на транзисторах. Расчет параметров он-лайн. (10+)

Транзисторный аналог тиристора

В маломощных пороговых и нестандартных схемах транзисторные аналоги диодного (динистора) и триодного (тринистора) тиристоров применяются даже чаще, чем элементы, выполненные в одном кристалле. Причина в том, у серийных тиристоров высокий разброс параметров, а некоторые из очень важных для перечисленных схем параметров вообще не нормируются. А аналог можно изготовить со строго заданными параметрами.

Важнейшими параметрами тиристоров в пороговых и нестандартных схемах являются: ток отпирания (Io ), напряжение отпирания или отпирающее напряжение (Uo ), ток удержания (Ih ), напряжение запирания или напряжение насыщения при токе удержания (Uc ). Смотри вольт-амперную характеристику тиристора .

В силовых схемах аналоги не применяются потому, что сила тока базы каждого транзистора в тиристорном аналоге равна половине всего тока через схему. А у транзисторов, как правило, сила тока базы ограничена довольно небольшой величиной.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые.