Тырыстар

Тыры́стар ( дзверы +  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 
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 
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  — 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 

 Рэжым адваротнага запірання 

Два асноўныя фактары абмяжоўваюць рэжым адваротнага прабою і прамога прабою:
 .
 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 

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 

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 

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 
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 
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 
 Электронныя ключы
 Кіруемыя выпрамляльнікі
 Ператваральнікі (інвертары)
 Рэгулятары магутнасці (трымеры)

 Гл. таксама 
 Дыёд
 Рэзістар
 Транзістар
 Тэрмістар
 Сімістар
 Ключ (электратэхніка)

 Літаратура 







Катэгорыя:Электроніка
Катэгорыя:Паўправадніковыя прылады