Перемикаючими називають напівпровідникові прилади, вольт-амперна характеристика яких має ділянку з негативним диференційним опором і які використовуються для перемикання. До перемикаючих приладів відносять диністор, триністор, симістор і одноперехідний транзистор. Усі вони мають одну загальну назву – тиристор. Тиристор – це електроперетворюючий напівпровідниковий прилад із трьома або більш р-n переходами, що характеризується двома стійкими станами, вольт-амперна характеристика якого має ділянку з негативним диференційним опором.

Рис. 3.1. Умовні графічні позначення перемикаючих пристроїв: а) диністор несиметричний; б) диністор симетричний; в) триністор, керований по катоду; г) триністор, керований по аноду; д) симістор; е) одноперехідний транзистор c n-базою.

1. Двохелектродні тиристори (диністори)

Диністор – це тиристор, що має два зовнішні виводи (анод і катод) і являє собою чотиришаровий напівпровідниковий прилад, що складається з чотирьох областей, провідності яких чергуються (рис. 3.2, а). Диністори застосовуються в безконтактних перемикаючих приладах, які керуються напругою.

Рис. 3.2. Диністор: а) структурна схема; б) ВАХ.

Крайні області р₁ і n₂ називаються емітерами, а середні р₂ і n₁ − базами. Як видно, диністор має три р-n переходи, причому два з них – П1 і П3 працюють у прямому напрямку, а середній перехід П2 – у зворотному. Крайню область р називають анодом, а крайню область n – катодом.

Перехід диністора із закритого стану у відкритий відбувається при досягненні прямою напругою, що прикладена між анодом і катодом деякої граничної величини – напруги вмикання U_вм.

Якщо до диністора VS прикласти пряму напругу U_пр < U_вм (рис. 3.2, а), то переходи П1 і П3 зміщаються в прямому, а П2 – у зворотному напрямку. Висота потенційних бар'єрів П1 і П3 зменшується. Дірки інжектуються з емітера р₁ у базу n₁, а електрони з емітера n₂ у базу р₂. Полем зворотно зміщеного переходу П2 дірки з бази n₁ виводяться в базу р₂, а електрони – з бази р₂ у базу n₁ (явище екстракції). Поява в базах n₁ і р₂ додаткових основних носіїв зарядів ще більше зменшує висоту потенційних бар'єрів переходів П1 і П3. Це викликає додаткову інжекцію дірок і електронів через переходи П1 і П3.

Якщо до диністора прикласти пряму напругу U_пр ≥ U_вм, описаний процес набуває лавиноподібного характеру. Різко зменшуються опори областей n₁ і р₂ і відкривається перехід П2. Струм I_пр збільшується, а напруга U_пр зменшується. На вольт-амперній характеристиці з'являється ділянка негативного диференційного опору – ділянка 1-2 (рис. 3.2, б), яка відповідає нестійкому стану. Диністор відкривається й стрибкоподібно переходить із закритого стану (ділянка 0-1) у відкритий (ділянка 2-3). При цьому його опір різко зменшується й падіння напруги на ньому становить U_пр = 0,5…1 В, решта падає на обмежувальному резисторі R (рис. 3.2, а).

Таким чином, диністор може перебувати у двох станах: закритому, який характеризується великим падінням напруги на диністорі й проходженням малих струмів через нього, тобто більшим опором, і відкритому, який характеризується малим падінням напруги на диністорі й проходженням більших струмів через нього, тобто малим опором.

Для вимикання диністора необхідно зменшити прямий струм до значення I_пр < I_у, (де I_у – струм утримання – мінімальний прямий струм, при якому диністор ще залишається у включеному стані) або подати на прилад напругу зворотної полярності.

2. Триелектродні тиристори (триністори)

Триністор – це тиристор, що має три зовнішні виводи (анод, катод і керуючий електрод).

Від додаткового зовнішнього джерела Е_к за рахунок струму керування Iк через керуючий електрод (КЕ) у базу р₂ уводиться додаткова кількість основних носіїв – дірок (рис. 3.3, а), що дозволяє включити триністор при меншому значенні Uвм чим диністор (рис. 3.3, б). Подаючи через вивід КЕ пряму напругу на перехід П3, який працює в прямому напрямку, можна регулювати значення U_вм.

Рис. 3.3. Триністор: а) структурна схема; б) ВАХ.

Ці основні властивості триністора відображаються вольт-амперними характеристиками, наведеними на рис. 3.3, б для різних струмів керуючого електрода I_к. Чим більше цей струм, тем потрібне менша напруга U_вм на тиристорі, для того щоб він відкрився. Найбільш висока напруга U_вм відповідає відсутності струму керуючого електрода (I_к = 0), коли триністор по суті перетворюється в диністор. І навпаки, при значному струмі I_к = I_у.с (струм спрямлення) характеристика триністора наближається до характеристики прямого струму звичайного діода.

Особливістю триністора є те, що будучи включеним, він перебуває в такому стані навіть при знятті керуючої напруги. Ця властивість дозволяє включати триністор за допомогою короткого імпульсу струму й тим самим значно знизити витрати енергії на керування тиристором.

Для вимикання триністора необхідно зменшити прямий струм до значення I_пр < I_у (де I_у – струм утримання – мінімальний прямий струм, який не виключає тиристор) або подати на прилад напругу зворотної полярності. Якщо тиристор включений у коло джерела змінної напруги, то його перемикання з провідного стану в замкнений відбувається автоматично при переході позитивної півхвилі напруги через нуль.

3. Симетричні тиристори (симістори)

Симістор (симетричний тиристор) – це напівпровідниковий прилад, що має однакові ВАХ при різних полярностях прикладеної напруги, та що проводить струм в обох напрямках.

Основою некерованого симістора є кремнієва монокристалічна структура, що полягає з п'яти областей з типами електропровідності, що чергуються, які утворюють чотири р-n переходи (рис. 3.4, а).

Рис. 3.4. Некерований симістор: а) структурна схема; б) ВАХ; в) составний симістор, виконаний з двох диністорів.

Якщо на некерований симістор подати напругу плюсом на область n₁ і мінусом на область n₃, то р-n перехід П1 виявиться включеним у зворотному напрямку, і струм, що проходить через нього, буде дуже малий. Увесь струм через симістор при такій полярності прикладеної напруги буде проходити через область р₁. Четвертий р-n перехід П4 буде включений у прямому напрямку й при достатньому значенні напруги через нього буде відбуватися інжекція електронов.

Таким чином, при обраній полярності зовнішньої напруги робоча частина тиристора являє собою структуру n-р-n, у якій відбуваються ті ж процеси, що й у звичайному диністорі, що приводять до перемикання його із закритого стану у відкритий і навпаки. При зворотній полярності, показаній знаками в дужках, струм тече у зворотному напрямку. Робота симістора ілюструється вольт-амперною характеристикою, симетричною відносно початку координат (рис. 3.4, б). Роль некерованого симістора (рис. 3.1, б) може виконувати два диністора, включених паралельно (рис. 3.4, в).

Більш широке застосування знайшли керовані симістори, у яких до однієї з областей з електропровідністю р-типу приладнаний вивод – керуючий електрод (рис. 3.5). Симістори застосовують у ланцюгах змінного струму як елементи, що регулюють напругу або потужність.

Рис. 3.5. Керований симістор: а) структурна схема; б) ВАХ; в) составний симістор, виконаний з двох триністорів.

4. Область застосування

Застосування тиристорів обумовлене в основному двома властивостями:
- наявністю ділянки негативного диференційного опору;
- наявністю двох стійких станів.
Перша властивість дозволяє використовувати тиристори в підсилювальних і генераторних схемах, а друга – застосовувати їх у ключових і перемикаючих електронних приладах, а також у керованих випрямлячах.

Найпростіша схема включення тріодного тиристора в якості однонапівперіодного керованого випрямляча наведена на рис. 3.8. Тиристор VS включається послідовно з навантаженням R, утворюючи головний ланцюг. Струм I_пр у головному ланцюзі виникає у разі, якщо на керуючий електрод тиристора подається імпульс напруги U_к, виникає струм керуючого електрода I_к, який і включає тиристор.

Рис. 3.6. Схема включення триністора в коло змінного струму.

Найпоширеніший спосіб керування тиристорами – імпульсно-фазовий; при цьому на керуючий електрод тиристора періодично подаються імпульси керуючого сигналу, які можуть змінюватися в часі. У результаті міняється момент відмикання тиристора, починаючи з якого й до кінця позитивної півхвилі напруги, тиристор знаходиться у відкритому стані. Це зрушення називається кутом керування α . У тому випадку, коли α = 0, напруга на навантаженні буде максимальною. При збільшенні α середнє значення випрямленої напруги на навантаженні буде зменшуватися (рис. 3.9).

Рис. 3.7. Діаграми роботи у часі керованого випрямляча для
α1 = 0, α2 = 60°, α3 = 120°.

5. Контрольні питання

1. Що називають перемикаючим приладом?
2. Що називають диністором?
3. Що називають триністором?
4. Що називають симістором?
5. Приведіть умовне графічне позначення диністора.
6. Приведіть умовне графічне позначення триністора з керуванням по катоду.
7. Приведіть умовне графічне позначення керованого симістора.
8. Приведіть умовне графічне позначення некерованого симістора.
9. Приведіть умовне графічне позначення одноперехідного транзистора.
10. Приведіть ВАХ диністора.
11. Приведіть ВАХ триністора.
12. Приведіть ВАХ некерованого симістора.
13. Приведіть ВАХ одноперехідного транзистора.
14. Приведіть напівпровідникову структуру диністора.
15. Приведіть напівпровідникову структуру триністора.
16. Приведіть напівпровідникову структуру симістора.

НАГОРУ