Тиристор

Тиристорлар

Тиристор- үш немеса одан да көп p-n ауысуынан тұратын, тұрақты екі күйі бар және бір күйден екінші күйге басқару импульсі арқылы ауысып-қосылу мүмкіндігі бар электронды аспап. Шартты белгісі:

Тиристор электрлік вентильдің қасиеттеріне ие. Тиристордың әдетте үш шықпасы, оның екеуі (А анод пен К катод) монокристалдың шеткі облыстарымен түйіседі. Тиристорлардың жұмыс істеу принціпін кілттік әрекет ретінде айтуға болады. Яғни, тиристор қосылулы жағдайда болса кілт тұйықталған, ал ажыратылған  жағдайда болса кілт ажыратылған болады.

Екі тиристорды қарама-қарсы  параллель қоссақ, онда айнымалы тоқты  екі бағытта да өткізіп, оны реттей алатын симметриялық тиристорды, яғни симисторды аламыз. Шетел әдебиеттерінде оның екі электродтысы- диак деп, үш электродтысы- триак деп аталады. Тиристорлардың  2 күштік  электроны болады: анод және катод

                                                               

Тиристорлар электродтар  санына қарай үш электродты тринистор(а-б сурет) және екі электродты динистор (в-сурет) болып жіктеледі.

                                                                                    в

 Тиристордың схемалық  шартты белгілері: а,б- тринистор;  в-динистор.

Динистордың екі ғана электроды (анод пен катод) болғандықтан, оның кернеу түсірілетін кірісі мен шығысы бір болып, басқару мүмкіндіктерін шектеп, қолдану ауқымдарын тарылтады. Тринисторда да шығыс кернеулері анод пен катодтан алынғанымен, оны  меңгеру басқару электродының көмегімен  атқарылып, оның пайдалану мүмкіншіліктерін кеңейтеді. Басқару электроды арқылы тиристордың тек қосылуы орындалып, ал оның тоғын тоқтату анод арқылы жүргізілсе, мұндай тиристор бір операциялық немесе толық басқарылмайтын, тіпті жабылмайтын тиристор деп аталады. Тоқты қосу да, ажырату да басқару электродының көмегімен атқарылатын болса, ондай тиристор екі операциялық (қосылу, ажыратылу) толық басқарылатын, жабылатын тиристор деп аталады. Толық басқарылатын тиристорды өндірісте пайдалану ыңғайлы болғанымен, олрадың көпшілігі әзірге төменгі қуатты болып, өндірісте қанатын кең жай алмай отыр. Әйтсе де оны жақын болашақтың үлкен үміт күттіретін аспабы десек қателеспейміз.

 

Динистордегі  физикалық процестер.

Динистор құрылымындағы p-n ауысуларының өзара орналасуы  мен ондағы заряд тасушыларының ағындары 1- а-суретте көрсетілген.

Динистор құрылымы үш p-n ауысуынан (А1, А2, А3) тұрады. Сыртқы тоқ көзінің оң полюсі анодқа қосылған А1 және А3 ауысулары тура ығысады да, ал А2 ауысуы кері ығысады. A1 мен А3-те инжекция басталып, А1-де кемтіктер ағыны (тоғы) I_p, А3-те электрондар ағыны I_a (тоқ бағыты кері бағытталған) пайда болып, олар аймақтарға (n₁ және p₂) еніп, тіпті өз екпіндерімен одан арғы аймақтарға (p₂ және n₁) да өте бастайды. Осының салдарынан p₂ аймағында кемтіктер пайда болып, ал n₁ аймағына электрондар келіп қосылып, ондағы негізгі заряд тасушылар санын көбейтеді. Олар болса, p₂ –де кемтіктердің оң зарядтарының көбеюі, n₁ –де электрондардың теріс зарядтарының көбеюі қандай өзгерістерге әкеп соқтыруы мүмкін?! Әрине, осы зарядтарды бейтараптандыру үшін көрші қабаттардан қарама-қарсы заряд тасушылар ағыны пайда болар еді: n₂ аймағынан қосымша электрондар, ал p₁ аймағынан қосымша кемтіктер қозғалысы. Егер осы қосымша тартылған заряд тасушылар саны бастапқы заряд тасушылар санынан артық болса, онда бұл процес үсті-үстіне үдейі түсіп, p₂ аймағындашектен тыс оң зарядтар, n₁ аймағында электродтар жиналып, орталық А2 ауысуының тура бағытта ойысуына ( сыртқы кернеудің А2-ге теріс бағытта түскеніне қарамастан) әкеп соғар еді. Сонымен, А1, А2, А3 ауысуларының бәрі бірдей тура қосылуға ығысып, динистор шексіз ток өткізе бастар еді. Токтың бұдан кейінгі кедергісі (сыртқы жүктеме кедергісі болмаған кездегі) жартылай өткізгіш қабаттарының (  p₁, n₁, p₂, n₂) өзіндік кедергілерімен ғана анықталып, олардың өте аз шама болуына байланысты, динистор токты шексіз үлкен шамада өткізіп жатыр деп есептеуімізге болар еді.

 

 

 

1-сурет. Динистордың құрылымы (а) және оның транзисторлық балама схемасы (ә)

Жоғарыда айтылған үдемелі  процестің пайда болу себебі, кейінгі  заряд тасушыларының алғашқы  заряд тасушылар санынан артық  болуынан. Ал, егер кейінгі заряд  тасушыларының саны алғашқыларының санынан кем болса ше? Әрине, онда заряд тасушылар саны бірте-бірте  кеми түсіп, олардың мүлдем жойылуына  әкеп соғар еді. Бұл жағдайда динистор ток өткізбейтін күйге ауысады, яғни ажыратылады. Бұл оның тұрақты  екінші күйі. Ендігі туатын сұрақ: осы  екі күйді бір-біріне қалай ауыстырып отыруға болады, яғни ол үшін динисторды қалай қосып, ажыратуға немесе ток өткізетін күйден ток өткізбейтін күйге (немесе керісінше) ауыстыруға болады? Бұл сұрақтың жауабы беріліп те қойылды: егер ток көзі қосылғанда, оның әсерінен пайда болған заряд тасушыларының саны алғашқыларынан артық болса, онда динистордың қосылу күйіне көшкені. Осы шарттың орындалу мүмкіндігін математикалық тұрғыдан қарастырып көру үшін динистор құрылымының (1.а-сурет) кез келген қимасындағы токтар қатынасын алуға болады (қималар бір-бірімен тізбектеле қосылғандықтан, ондағы токтар шамасы тұрақты).

Енді, мысал ретінде орталық  А2 ауысуындағы токтар қатынасын  алып көрейік. Ондағы толық ток І_а үш токтың қосындысына тең:

 

І_а = а₁І_р + І₀ + а₂І_n

 

Мұндағы І₀ – А2 ауысуының кері қосылу кезіндегі тоғы: І_р, І_n – р₁ және n₂ аймақтарындағы кемтіктер мен электрондар тоғы ( ағындары)

 

 

2- сурет. а₁ а₂ коэфициенттерінің токқа тәуелді өзгеруі (а) және динистордың вольтамперлік сипаттамасы (ә)

 

Ал транзистордың ток  беру коэфициенттері а₁ а₂ қайдан пайда болды? – деген сұрақ туу мүмкін. Оған динистор құрылымына қарай отырып жауап беруге болады (1.а- сурет). Бірінші р₁, n₁, р₂ қабаттарын жеке алып қарайтын болсақ, бұл р-n-р транзисторының құрылымы екен: оның ток беру коэфициенті а₁- мен белгіленіп отыр. Оның n₁ база қабатында ток бөлігі (І- а₁) І_р болады да, ал коллекторға берілетін бөлігі – а₁І_р. Осыған орай, n₂-p₂-n₁ қабаттары n-p-n транзисторын құрайды. Оның ток беру коэффициенті а₂. Көріп отырғанымыздай, динистор дегеніміз p-n-p және n-p-n транзисторларының қосындысы (1.ә-сурет). Тіпті өмірде динисторды осылай екі транзистор құрылымын қосу арқылы да алуға болады екен.

Енді динистордың кез  келген қимасындағы токтың тұрақтылығын, яғни І_а= І_р= І_n теңдігіне қайта оралып, динистордың волтьамперлік сипаттамасын айтамыз:

 

І_а = I₀ /(1-(a₁+a₂)).                                                      (1.1)

 

Алынған теңдеуде кернеу шамасы жоқ. Онда лд қалай вольтамперлік  сипаттама бола алады? – деген  сұрақ туайын деп отыр... Теңдеуге кернеу айқын түрде кірмесе де, ол а₁ мен а₂-нің құрамынажасырын еніп отыр. Яғни, а₁ мен а₂- нің өзі де кернеуге тең шамалар.

(1.1) Теңдеуін зерттей отырып, мынадай бір ерекшелікті байқауымызға болады: егер (а₁+а₂) қосындысы бірге жақындай түссе, онда І_а тогы шексіздікке ұмтылады екен! Бұл тәжірибе жүзінде шындылыққа сәкес келер ме екен!?... Әбден келеді! І_а →∞ дегеніміз динистордың қосылу күйіне ауысып, токты шексіз шамада өткізуге ұмтылады деген сөз. Әрине, шексіз ток мүмкін емес. Токтың шамасы жоғарыда айтылғандай динистор құрылымын құрайтын қабаттардың өзіндік кедергілерімен шектеледі. Ал (1.1) теңдеуінде бұл кедергілер есепке алынбай отырғандықтан, токтың шексіздікке ұмтылуы да заңды.

Динистордың қосылу күйін  қарастырып өттік. Ал оны ажыратылу  күйне қалай ауыстыруға болады? Оны  да (1.1) теңдеуімен негіздеуге болады: (а₁+а₂) <1, тіпті (а₁+а₂) <<1 болса, онда І_а ≈ І₀, ендеше ток жоқтың қасы, яғни динистор жабық. Сонымен, динистордың жабық немесе ашық болуы (а₁+а₂) шамасына тікелей байланысты юолып отыр.

Транзистордың ток беру коэффициенті (а) токтың өз шамасына да байланысты: ток  шамасы өте аз болса, а-де төмен. Екінші жағынан ток шектен тыс жоғары болған жағдайда а-де төмендейді. Дегенмен де өмірде кездесетін ток шамаларында  токтың өсу а-ның де өсуімен қатар  жүреді деген тұжырымға келуге болады (2.а-сурет). Сонымен, динисторды қосылу күйіне аудару үшін ондығы ток шамасын  белгілі бір деңгейге жеткізі  керек. Ток кернеуге байланысты болғандықтан, динистордың қосылуы ондағы кернеу шамасына байланысты. Міне, біз вольтамперлік  сипаттамаға тікелей шықтық. Енді оның графигіне назар аударайық (2.ә-сурет).

Анодтық кернеуді (U_a) нөлден бастап көтере түссек (суреттегі 0-А бөлік), токтың шамасының аз болатындығын, бірақ аз да болса да өсе түсетінін байқаймыз. А1, А3 ауысулары тура қосылғанымен, ток шамасын кері қосылған А2 ауысуы шектеп, тиристор күйі осы А2-нің кері қосылуындағы волтьамперлік сипаттамасымен анықталып отыр. Яғни тиристор сипаттамасының 0-А бөлігі А2 p-n ауысуының кері қосылуындағы волтьамперлік сипаттамасы. Токтың аздап болса да өсе түсуіне байланысты (а₁+а₂) қосындысы да өсіп, А нүктесінде оның шамасы (а₁+а₂) =1 болады. Осы нүктеден бастап динистордың күйі күрт өзгеріп, ол жабық күйден ашық күйге ауысады (сипаттамада А-Ә-Б бөліктер). Енді динисторге кернеу аз да суретте ( U_Б≈ U_Ә), ал ток үлкен (Б нүктесіне сәйкес). Көріп отырғанымыздай, динисторды қосу үшін оның анодындағы кернеуді динистордың қосылу кернеуіне (U_к) дейн жеткізу керек, ал ажырату үшін оның тоғы ажырату тоғынан І_аж төмен болу керек (мұндай талап анод кернеуін қайта алумен немесе динистор тоғына қарама-қарсы кері ток жіберумен қамтамасыз етіледі). Бұл, әрине, кіріс-шығыс жолдарының бірлігіне байланысты (екі ғана электрод болғандықтан кіріс кернеуі қайда берілсе, шығыс кернеуі де содан алынады, (3-суретті қараңыз) едәуір ыңғайсыздықтар туғызады. Осы орайда үшінші басқару электродының болуы қажет-ақ!

 

3-сурет. Динистор негізіндегі  электрондық кілт схемасы.

Тринистор.

Тиристордың анод пен катодтан бөлек үшінші басқару электродының болуы, біріншіден, кіріс-шығыс жолдарының өзара тәуелсіз болуын қамтамасыз етеді (4-сурет), екіншіден, ол арқылы шамасы аз тоқпен (кернеумен) анодтағы үлкен токты (кернеуді) басқаруға мүмкіндік аламыз.

 

 

4-сурет. Тиристорлық электрондық  кілт.

Басқару электродын кез келген ортадағы базалардың бірінен (Б1, Б2) шығаруғы болады. Бірақ оны жұқа база Б2-ден  шығарған тиімді.

5-суреттегі тиристор құрылымына  назар аударсақ, онда сырттан  берілген аз ғана басқару тоғынан  (І_бэ) туған кемтіктерге (р₂ аймағында) көршілес n₂ катодынан қарсы электрондар қозғалысы пайда болады екен. Олардың біразы кемтіктермен рекомбинацияға түседі, ал қалғандары кең база Б1 айсағына өтіп, ондағы электрондар санын көбейтеді де, өздігінше р₁ аймағынан қарсы кемтіктер қозғалысын туғызады. Қарсы қозғалған кемтіктердің біразы n₁ аймағында рекомбинацияға түсіп, қалғандары р₂ аймағына өтіп, ондағы кемтіктер санын бұрынғыдан да арттыра түседі...

 

 

5-сурет. Тиристорды басқару  электродымен іске қосу.

 

Осы дүркіндік процестің  ары қарай дами түсуі, әрине, анод пен катод аралығына түсірілген анодтық кернеуге (U_a) және бастапқы себепші болған басқару электродының тоғының (І_бэ) шамасына байланысты болады. Егер U_a шамасы жеткілікті болса (U_a> U_қ), онда тиристор басқаруэлектродының тоғынсыз-ақ іске қосылып, ток өткізе бастайды (динисторлық режим). Оның шамасы аздау болған жағдайда (U_a> U_қ), басқару электроды көмекке келіп, ол тиристордың ертерек қосылуын қамтамасыз етеді. Басқару тоғы І_бэ неғұрлым үлкен болса, тиристордың қосылуы анод кернеудің соғұрлым төмен шамасында іске асырылады. Бұл жағдайда 6-суретте тиристор сипаттамасының басқару тоғының шамасына қарай тарамдала түсетіндігімен көрсетіліп отыр. Көріп отырғанымыздай тиристордың қосылу кернеуі (U_қ1, U_қ2, ...) І_бэ тоғы артқан сайын төмендей түсіп, тиристордың қосылуын жеңілдетеді.

Жоғарыда тиристордың  қосылуы (а₁+а₂)=1 шартына сәйкес дедік. Ал кәдімгі транзисторлардағы а коэффициентінің бірге жақын екенін ескерсек, онда тиристордың іске қосылуы ток пен кернеудің өте төмен шамаларында жүрмей ме?... Сондыұтан да тиристорларды жоғарғы кернеулерге арнап шығару үшін (а₁+а₂)=1 шартын үлкен кернеу шамаларында орындауымыз керек. Міне, осы талапты орындау үшін тиристор құрылымына мынадай екі түрлі ерекшеліктер енгізіледі. 1) а₁ шамасын өсірмеу үшін бірінші база Б1, яғни n₁ аймағы кең жасалынады. (Мұны біз жоғарыда келтірілген 1-сурет, 5-суреттерде де көрсетуге тырыстым). Бұл жағдайда р₁ аймағынан енгізілген кемтіктердің көпшілігі кең база Б1-де рекомбинацияға түсіп, р₂ аймағынан ( p-n-p транзисторының коллекторларына) аз өтіп, а₁ шамасын өсірмейді. 2) Катод пен басқару электродын өзара қосымша өткізгішпен қосып (эмиттерлік тұйықтау), басқару тоғының бір бөлігін осы өткізгішпен өткізеді.

 

 

6-сурет. Тиристордың шығыс  сипаттамасы.

 

Мұнда көзделген негізгі  мақсат, кернеудің аз кезінде токтың көп бөлігі осы қосымша өткізгішпен  тұйықталып (p-n ауысуымен өтпей), а₂ шамасын өсірмейді де, ал кернеу артқанда p-n ауысуының өзінен өтіп, оның шамасын күрс өсіреді. Яғни кернеудің өсуіне байланысты тоқтың p-n ауысуымен тұйықталатын бөлігі де артып, тиристордың қосылуы да кенеттен тез арада өтеді. Мұның тәжірибе жүзіндегі қосымша пайдасы, оның қосылу мерзімінің тез арада, кернеу шамасының шашаыраңқылығысыз іске асуында.

Эмиттерлік тұйықтаудағы токтар мен кернеудің өзара қатынасын 7-суретте келтірілген сипаттамалардан  көруге болады.

 

 

7-сурет. Эмиттерлік тұйықтаудағы  токтар мен кернеулердің өзара  қатынастары

Тирстордың пайдалану  өрісі.

Тиристордың пайдалану өрісі айтарлықтай кең. Бір кездерде ол тіпті әртүрлі генераторлар, тириггерлер т.б. аз қуатты құрылғылар жасауға да пайдаланылады. Дегенмен, микроэлектрониканың жедел дамуына байланысты тиристорлар аталған бағыттардан ығыстырып шығарып, өз игілігіне тек жоғары қуатты өрісті ғана қалдырды. Нақты айтқанда, олар төмендегідей бағыттарды игеріп отыр.Біріншіден, олар басқарылмалы түзеткіштерде кеңінен қолданылады, мұнда оның бір бағытта ғана тоқ өткізіп, тоқтың немесе кернеудің белгілі бір бөлігін ғана өткізіп, тоқтың немесе кернеудің белгілі бір бөлігін ғана өткізу қасиеті пайдаланылады. Қандай бөлігін өткізеді деген сұраққа басқару электродына берілген кернеу (тұрақты немесе импульстік) жауап береді. 8-суретте келтірілген диаграммада тиристордың ашылуы  a бұрышына кешеуілдетілген импульспен басқарылып, кернеу мен тоқтың жүктемедегі пішіні осы бұрыш шамасына шегеріле шығып отыр. Нақты суретте келтірілгендей  а=90 болса, онда жүктемеге берілетін кернеудің шамасы екі есе аз болады. Ал кернеудің толық шамасын алу үшін  а=0 болу керек те, бұл басқарылмайтын түзеткіштердің (кәдімгі диодтарды пайдаланғандағы) қасиеттеріне тән болады. а=180 болса, жүктемедегі кернеу нөлге тең.

        

 

8-сурет. Тиристорды басқарылмалы  түзеткіш ретінде пайдалану

 

Сонымен, басқару импульсінің  берілетін мезетін (бұрышын) өзгерте  отырып, жүктемедегі кернеуді де өзгерте  аламыз. Түзеткіштің басқарылмалы деп  айтылатын себебі де осыдан.

Түзеткіштік немесе вентильдік қасиет диодтардың бір жақты өткізу қасиеті. Бірақ тиристордың басқарылу  мүмкіндігін екі жақты өткізу кезінде де пайдалануға болады. Екінші бағытта өткізуді қарсы қосылған екінші тиристормен қамтамасыз етуге болады. Осы екі тиристор бірге жасалса симисторды аламыз. Сонымен, симистор деп ток тоқ шамасын екі бағыттада реттей алатын электрондық аспапты айтамыз. Сондықтанда да оны айнымалы тоқты басқаратын электрондық аспап деп те атайды. 9.а-суретте симистордың шартты белгісі, 9.ә-суретте оның сипаттамасы, ал 9.б-суретте оның көмегімен алынған айнымалы тоқты реттеу диаграммасы келтірілген.