Тырыстар

Тыры́стар (грэч. thyra дзверы + англ.: (res)istor супраціўленне) — кіроўны пераключальны дыёд са шматслойнай структурай электронна-дзірачных пераходаў (p-n). Праводзіць ток толькі ў адным кірунку (вентыль) і мае два ўстойлівыя станы: нізкай праводнасці (тырыстар закрыты) і высокай праводнасці (тырыстар адкрыты). Характарыстыкамі прапускання падобны да іоннага тыратрона, адсюль іншая (гістарычная) назва: паўправодніковы тыратрон.
У электрычную схему ўключаецца: катодам-анодам у сілавы ланцуг, катодам-кіроўным электродам у кіравальны ланцуг. Імпульс току ў кіравальным ланцугу прыводзіць да адкрывання тырыстара. Кіравальны імпульс фарміруецца вонкава або ўнутры самой прылады, напрыклад, фотаэфектам (фотатырыстар).
Тырыстар мае нелінейную разрыўную вольтамперную характарыстыку (ВАХ).
Асноўныя параметры: ток прапускання, час уключэння, час выключэння.
Канструкцыя тырыстара
[правіць | правіць зыходнік]
Асноўная схема тырыстарнай структуры прадстаўлена на мал. 1. Яна ўяўляе сабой чатырохполюсную p-n-p-n прыладу, якая змяшчае тры паслядоўна злучаныя p-n пераходы J1, J2, J3. Кантакт да знешняга p-слоя называецца анодам, да знешняга n-слоя — катодам. У агульным выпадку p-n-p-n прылада можа мець два кіруючыя электроды (базы), далучаныя да ўнутраных слаёў. Прылада без кіруючых электродаў называецца дыёдным тырыстарам (або дыністарам). Прылада з адным кіруючым электродам называецца трыёдным тырыстарам або трыністарам (іншы раз проста тырыстарам).
Вольт-амперная характарыстыка тырыстара
[правіць | правіць зыходнік]
ВАХ тырыстара (з кіруючымі электродамі або без іх) прыведзена на малюнку 2. Яна мае некалькі ўчасткаў:
- Паміж кропкамі 0 і (Vвo,IL) знаходзіцца ўчастак, адпаведны высокаму супраціўленню прылады — прамое запіранне (ніжняя галіна).
- У кропцы Vво адбываецца ўключэнне тырыстара.
- Паміж кропкамі (Vво, IL) і (Vн,Iн) знаходзіцца ўчастак з адмоўным дыферэнцыяльным супраціўленнем — няўстойлівая вобласць пераходу ва ўключаны стан.
- Участак ад кропкі (Vн,Iн) і вышэй адпавядае адкрытаму стану (прамой праводнасці).
- У кропцы (Vн,Iн) праз прыладу працякае мінімальны ўтрымліваючы ток Ih.
- Участак паміж 0 і Vbr апісвае рэжым адваротнага запірання прылады.
- Участак злева ад Vbr — рэжым адваротнага прабою.
Рэжымы работы тырыстара
[правіць | правіць зыходнік]Рэжым адваротнага запірання
[правіць | правіць зыходнік]
Два асноўныя фактары абмяжоўваюць рэжым адваротнага прабою і прамога прабою:
- Лавінны прабой .
- Пракол збедненай вобласці.
У рэжыме адваротнага запірання да анода прылады прыкладзена напружанне, адмоўнае адносна катода; пераходы J1 і J3 зрушаныя ў адваротным кірунку, а пераход J2 зрушаны ў прамым (гл. малюнак 3). У гэтым выпадку вялікая частка прыкладзенага напружання падае на адным з пераходаў J1 або J3 (у залежнасці ад ступені легіравання розных абласцей). Хай гэта будзе пераход J1. У залежнасці ад таўшчыні Wn1 слоя n1 прабой выклікаецца лавінным множаннем (таўшчыня збедненай вобласці пры прабоі менш Wn1) альбо праколам (збеднены слой распаўсюджваецца на ўсю вобласць n1, і адбываецца змыканне пераходаў J1 і J2).
Рэжым прамога запірання
[правіць | правіць зыходнік]Пры прамым запіранні напружанне на анодзе дадатнае адносна катода, і адваротна зрушаны толькі пераход J2. Пераходы J1 і J3 зрушаныя ў прамым кірунку. Вялікая частка прыкладзенага напружання падае на пераходзе J2. Праз пераходы J1 і J3 у вобласці, якія прымыкаюць да пераходу J2, інжэкціруюцца неасноўныя носьбіты, якія памяншаюць супраціўленне пераходу J2, павялічваюць ток праз яго і памяншаюць падзенне напружання на ім. Пры павышэнні прамога напружання ток праз тырыстар спачатку расце павольна, што адпавядае ўчастку 0-1 на ВАХ. У гэтым рэжыме тырыстар можна лічыць закрытым, бо супраціўленне пераходу J2 усё яшчэ вельмі вялікае. Па меры павелічэння напружання на тырыстары зніжаецца частка напружання, якое падае на J2, і хутчэй узрастаюць напружанні на J1 і J3, што выклікае далейшае павелічэнне току праз тырыстар і ўзмацненне інжэкцыі неасноўных носьбітаў у вобласць J2. Пры некаторым значэнні напружання (парадку дзясяткаў або соцень вольт), так званым напружанні пераключэння VBO (гл. ВАХ), працэс набывае лавінападобны характар, тырыстар пераходзіць у стан з высокай праводнасцю (уключаецца), і ў ім устанаўліваецца ток, вызначаны напружаннем крыніцы і супраціўленнем знешняга ланцуга.
Двухтранзістарная мадэль
[правіць | правіць зыходнік]
Для тлумачэння характарыстык прылады ў рэжыме прамога запірання выкарыстаем двухтранзістарную мадэль. Тырыстар можна разглядаць як злучэнне p-n-p транзістара з n-p-n транзістарам, прычым калектар кожнага з іх злучаны з базай іншага, як паказана на малюнку 4 для трыёднага тырыстара. Цэнтральны пераход дзейнічае як калектар дзірак, інжэкціруемых пераходам J1, і электронаў, інжэкціруемых пераходам J3. Узаемасувязь паміж токамі эмітара IE, калектара IC і базы IB і статычным каэфіцыентам узмацнення па току α1 p-n-p транзістара таксама прыведзеная на мал. 4, дзе ICо — адваротны ток насычэння пераходу калектар-база.
Аналагічныя суадносіны можна атрымаць для n-p-n транзістара пры змене кірунку токаў на процілеглы. На малюнку 4 відаць, што калектарны ток n-p-n транзістара з'яўляецца адначасова базавым токам p-n-p транзістара. Аналагічна калектарны ток p-n-p транзістара і кіруючы ток Ig уцякаюць у базу n-p-n транзістара. У выніку, калі агульны каэфіцыент узмацнення ў замкнёнай пятлі перавысіць 1, становіцца магчымым рэгенератыўны працэс.
Ток базы p-n-p транзістара роўны
- IB1 = (1 — α1)IA — ICo1.
Гэты ток таксама працякае праз калектар n-p-n транзістара. Ток калектара n-p-n транзістара з каэфіцыентам узмацнення α2 роўны
- IC2 = α2IK + ICo2.
Прыраўняўшы IB1 і IC2, атрымаем
- (1 — α1)IA — ICo1 = α2IK + ICo2.
Паколькі IK = IA + Ig, то
Гэтае ўраўненне апісвае статычную характарыстыку прылады ў дыяпазоне напружанняў да самага прабою. Пасля прабою прылада працуе як p-i-n-дыёд. Адзначым, што ўсе складнікі ў лічніку правай часткі ўраўнення малыя. Такім чынам, пакуль член α1 + α2 < 1, ток IA малы. (Каэфіцыенты α1 і α2 самі залежаць ад IA і звычайна растуць з павелічэннем току.) Калі α1 + α2 = 1, то назоўнік дробу становіцца нулём і адбываецца прамы прабой (або ўключэнне тырыстара). Варта адзначыць, што калі палярнасць напружання паміж анодам і катодам змяніць на адваротную, то пераходы J1 і J3 будуць зрушаныя ў адваротным кірунку, а J2 — у прамым. Пры такіх умовах прабой не адбываецца, бо ў якасці эмітара працуе толькі цэнтральны пераход і рэгенератыўны працэс становіцца немагчымым.

Шырыня збедненых слаёў і энергетычныя зонныя дыяграмы ў раўнавазе, у рэжымах прамога запірання і прамой праводнасці паказаныя на мал. 5. У раўнавазе збедненая вобласць кожнага пераходу і кантактны патэнцыял вызначаюцца профілем размеркавання прымесей. Калі да анода прыкладзена дадатнае напружанне, пераход J2 імкнецца зрушыцца ў адваротным кірунку, а пераходы J1 і J3 — у прамым. Падзенне напружання паміж анодам і катодам роўнае алгебраічнай суме падзенняў напружанняў на пераходах:
- VAK = V1 + V2 + V3.
Па меры павышэння напружання ўзрастае ток праз прыладу і, такім чынам, павялічваюцца α1 і α2. Дзякуючы рэгенератыўнаму характару гэтых працэсаў прылада ў рэшце рэшт пяройдзе ў адкрыты стан. Пасля ўключэння тырыстара ток, які праходзіць праз яго, павінен быць абмежаваны знешнім супраціўленнем нагрузкі, у адваротным выпадку пры досыць высокім напружанні тырыстар выйдзе са строю. Ва ўключаным стане пераход J2 зрушаны ў прамым кірунку (мал. 5, в), і падзенне напружання
- VAK = (V1 — |V2| + V3)
прыблізна роўнае суме напружання на адным прамазрушаным пераходзе і напружання на насычаным транзістары.
Рэжым прамой праводнасці
[правіць | правіць зыходнік]Калі тырыстар знаходзіцца ва ўключаным стане, усе тры пераходы зрушаныя ў прамым кірунку. Дзіркі інжэкціруюцца з вобласці p1, а электроны — з вобласці n2, і структура n1-p2-n2 паводзіць сябе аналагічна насычанаму транзістару з выдаленым дыёдным кантактам да вобласці n1. Такім чынам, прылада ў цэлым аналагічная p-i-n (p+-i-n+)-дыёду.
Адрозненне дыністара ад трыністара
[правіць | правіць зыходнік]Прынцыповых адрозненняў паміж дыністарам і трыністарам няма, аднак калі ўключэнне дыністара адбываецца пры павышэнні напружання паміж анодам і катодам, то ў трыністары для гэтага выкарыстоўваюць падачу імпульсу току вызначанай працягласці і велічыні на кіруючы электрод пры дадатнай рознасці патэнцыялаў паміж анодам і катодам. Трыністары з'яўляюцца найбольш распаўсюджанымі прыладамі з «тырыстарнага» сямейства.
Выключаюцца тырыстары альбо паніжэннем току праз тырыстар да значэння Ih, альбо зменай палярнасці напружання паміж катодам і анодам.
Характарыстыкі тырыстараў
[правіць | правіць зыходнік]Сучасныя тырыстары вырабляюць на токі ад 1 мА да 10 кА, напружанні ад некалькіх В да некалькіх кВ; хуткасць нарастання ў іх прамога току дасягае 109 А/сек, напружання — 109 В/сек, час уключэння мае велічыню ад некалькіх дзясятых долей да некалькіх дзясяткаў мкс, час выключэння — ад некалькіх адзінак да некалькіх соцень мкс; ккд дасягае 99 %.
Ужыванне
[правіць | правіць зыходнік]- Электронныя ключы
- Кіруемыя выпрамляльнікі
- Ператваральнікі (інвертары)
- Рэгулятары магутнасці (трымеры)
Гл. таксама
[правіць | правіць зыходнік]Літаратура
[правіць | правіць зыходнік]- Тыры́стар // Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 16: Трыпалі — Хвіліна / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн. : БелЭн, 2003. — Т. 16. — С. 80. — 10 000 экз. — ISBN 985-11-0035-8. — ISBN 985-11-0263-6 (т. 16).
- тири́стор тыры́стар // Русско-белорусский политехнический словарь. В 2 т. / НАН Беларуси, Инт-т языкознания им. Я. Коласа; Ред. И. Л. Бурак и др.. — Мн.: Беларуская навука, 1998. — Т. 2. О—Я. — С. 556. — 807 с. — 500 экз. — ISBN 985-08-0232-4.
- Тири́стор / Иньков Ю. М., Сакович А. А. // Т. 25. Струнино — Тихорецк. — М. : Советская энциклопедия, 1976. — С. 570—572. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров; 1969—1978). (руск.)
- Тири́стор // Большая политехническая энциклопедия (руск.) / Авт.-сост. В. Д. Рязанцев. — М.: Мир и образование, 2011. — С. 542. — 704 с. — 2 000 экз. — ISBN 978-5-94666-621-3.
- Тири́стор // Новый политехнический словарь (руск.) / Гл. ред. А. Ю. Ишлинский. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. — С. 543. — 671 с. — 15 000 экз. — ISBN 5-85270-322-2.
- Тири́стор // Политехнический словарь (руск.) / Редкол.: А. Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Советская энциклопедия, 1989. — С. 534. — 656 с. — 150 000 экз. — ISBN 5-85270-003-7.