Tiristor

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Un tiristor es un dispositivo semiconductor hecho sobre la base de un monocristal semiconductor con tres o más uniones pn y que tiene dos estados estables:

estado "cerrado" - un estado de baja conductividad ;
estado "abierto" - estado de alta conductividad

Un tiristor con tres terminales eléctricos (un ánodo , un cátodo y un electrodo de control) se denomina trinistor . La principal aplicación de los SCR es el control de una carga potente utilizando una señal débil aplicada al electrodo de control.

En dispositivos de dos pines - dinistores , la transición del dispositivo a un estado conductor ocurre si el voltaje entre su ánodo y cátodo excede el voltaje de apertura.

El tiristor puede considerarse como un interruptor electrónico ( llave ). Los tiristores también se utilizan en dispositivos clave, por ejemplo, una unidad de potencia .

Existen diferentes tipos de tiristores, que se dividen principalmente en:

según el método de gestión;
por conductividad:
- tiristores que conducen la corriente en una dirección (ejemplos: dinistores desequilibrados y trinistores desequilibrados);
- tiristores que conducen la corriente en dos direcciones (ejemplos: dinistores simétricos y triacs - trinistores simétricos).

La característica de corriente-voltaje (CVC) del tiristor no es lineal y muestra que la resistencia del tiristor es diferencial negativa . En comparación, por ejemplo, con los interruptores de transistores, el control de tiristores tiene algunas características. La transición de un tiristor de un estado a otro en un circuito eléctrico ocurre abruptamente (como una avalancha) y se lleva a cabo por una influencia externa en el dispositivo: ya sea voltaje (corriente) o luz (para un fototiristor ). Después de que el tiristor cambia al estado abierto, permanece en este estado incluso después de que finaliza la señal de control. El tiristor permanece encendido mientras la corriente que fluye a través de él exceda un cierto valor, llamado corriente de retención.

El dispositivo y los principales tipos de tiristores

El dispositivo de tiristores se muestra en la fig. 1 . El tiristor consta de cuatro semiconductores (capas) conectados en serie y que difieren en los tipos de conductividad: p‑n‑p‑n . Las uniones p-n entre conductores en la figura se designan como "J1", "J2" y "J3". El contacto con la capa p exterior se llama ánodo , con la capa exterior n - cátodo . En general, un dispositivo p‑n‑p‑n‑ puede tener hasta dos electrodos de control (bases) conectados a las capas internas. Al aplicar una señal al electrodo de control, se controla el tiristor (cambia su estado).

Un dispositivo que no contiene electrodos de control se denomina tiristor de diodo o dinistor . Dichos dispositivos están controlados por un voltaje aplicado entre los electrodos principales.

Un dispositivo que contiene un electrodo de control se llama triodo tiristor o trinistor [1] (a veces solo un tiristor , aunque esto no es del todo correcto). Dependiendo de a qué capa del semiconductor esté conectado el electrodo de control, los trinistores son controlados por el ánodo y por el cátodo. Estos últimos son los más comunes.

Los dispositivos descritos anteriormente vienen en dos variedades: paso de corriente en una dirección (del ánodo al cátodo) y paso de corriente en ambas direcciones. Para este último, el CVC es simétrico, por lo que los dispositivos correspondientes se denominan simétricos . Los dispositivos simétricos están hechos de cinco capas de semiconductores. Un trinistor simétrico también se llama triac o triac (del inglés TRIAC - triodo para corriente alterna ). Cabe señalar que en lugar de dinistores simétricos , a menudo se utilizan sus circuitos análogos [2] , incluidos los integrales, que suelen tener mejores parámetros.

Los tiristores con electrodo de control se dividen en bloqueables y no bloqueables. Los tiristores no bloqueables no se pueden cambiar al estado cerrado (como se refleja en su nombre) usando una señal aplicada al electrodo de control. Dichos tiristores se cierran cuando la corriente que fluye a través de ellos se vuelve menor que la corriente de mantenimiento. En la práctica, esto suele ocurrir al final de la media onda de la tensión de red.

Voltio-amperio característico del tiristor

En la fig . 2 . Descripción de VAC:

la curva CVC en la zona delimitada por un rectángulo con las coordenadas de los vértices (0; 0) y (Vo; I L ) (rama inferior) corresponde a una alta resistencia del dispositivo (bloqueo directo del dispositivo);
el punto (Vo; I L ) corresponde al momento en que se enciende el tiristor (cambiando el dinistor al estado encendido);
la curva CVC en el área delimitada por un rectángulo con las coordenadas de los vértices (Vvo;I L ) y (Vн;In) corresponde a cambiar el dispositivo al estado encendido (región inestable). A juzgar por el hecho de que la curva tiene forma de S, podemos concluir que la resistencia del tiristor es diferencial negativa . Cuando la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo de un tiristor de polaridad directa supera el valor de Vvo, el tiristor se desbloqueará (efecto dinistor);
la curva CVC desde el punto con coordenadas (Vn; In) y arriba corresponde al estado abierto del dispositivo (conducción directa);
el gráfico muestra las características I–V con diferentes corrientes de control I G (corrientes en el electrodo de control del tiristor): I G =0; IG > 0 ; YO G >>0. Cuanto mayor sea la corriente I G , menor será la tensión Vvo, el tiristor cambia a un estado conductor;
la línea de puntos indica la curva CVC correspondiente al flujo de corriente I G >> 0 en el circuito, la llamada "corriente de encendido de rectificación". Con tal corriente, el tiristor pasa a un estado conductor con una diferencia de potencial mínima entre el ánodo y el cátodo. Para transferir el tiristor a un estado no conductor, es necesario reducir la corriente en el circuito de ánodo-cátodo por debajo de la corriente de mantenimiento I H ; [3]
la curva CVC en la sección de V BR a 0 corresponde al modo de bloqueo inverso del dispositivo;
La curva CVC en el área de - ∞ a V BR corresponde al modo de ruptura inversa.

La característica corriente-voltaje de los tiristores simétricos difiere de la que se muestra en la fig. 2 por el hecho de que la curva en el tercer cuarto del gráfico (abajo a la izquierda) repite secciones del primer cuarto (arriba a la derecha) simétricamente alrededor del origen (ver CVC triac ).

Según el tipo de no linealidad del CVC, el tiristor se clasifica como S-devices .

Modos de funcionamiento de un tiristor triodo

Modo de bloqueo inverso

Dos factores principales limitan los modos de ruptura inversa y ruptura directa:

ruptura de avalancha ;
punción de la región empobrecida .

En el modo de bloqueo inverso, se aplica un voltaje al ánodo del dispositivo , que es negativo con respecto al cátodo; las uniones J1 y J3 se desplazan en la dirección opuesta, y la unión J2 se desplaza en la dirección de avance (ver Fig. 3 ). En este caso, la mayor parte del voltaje aplicado cae en una de las uniones J1 o J3 (dependiendo del grado de dopaje de las diversas regiones). Sea esta la transición J1. Dependiendo del espesor W n1 de la capa n1, la ruptura es causada por la multiplicación de la avalancha (el espesor de la región empobrecida durante la ruptura es menor que W n1 ) o por una perforación (la capa empobrecida se extiende sobre toda la región n1, y la las transiciones J1 y J2 están cerradas).

Modo de bloqueo directo

Con bloqueo directo, el voltaje en el ánodo es positivo con respecto al cátodo y solo la unión J2 tiene polarización inversa. Las transiciones J1 y J3 tienen polarización directa. La mayor parte del voltaje aplicado cae en la unión J2. A través de las uniones J1 y J3, se inyectan portadores minoritarios en las regiones adyacentes a la unión J2, lo que reduce la resistencia de la unión J2, aumenta la corriente a través de ella y reduce la caída de voltaje a través de ella. Con un aumento en el voltaje directo, la corriente a través del tiristor primero crece lentamente, lo que corresponde a la sección 0-1 en la característica I–V. En este modo, el tiristor puede considerarse bloqueado, ya que la resistencia de la unión J2 aún es muy alta. A medida que aumenta el voltaje del tiristor, la proporción de voltaje que cae en J2 disminuye y los voltajes en J1 y J3 aumentan más rápido, lo que provoca un mayor aumento en la corriente a través del tiristor y una mayor inyección de portadores minoritarios en la región J2. A un cierto valor de voltaje (del orden de decenas o cientos de voltios), llamado voltaje de conmutación V BF (punto 1 en la característica I–V), el proceso se vuelve similar a una avalancha, el tiristor entra en un estado de alta conductividad (se enciende), y se establece una corriente en él, determinada por el voltaje de la fuente y la resistencia del circuito externo.

Modelo de tiristor de dos transistores

Se utiliza un modelo de dos transistores para explicar las características del dispositivo en modo de apagado directo. Se puede pensar en un tiristor como una conexión entre un transistor pnp y un transistor npn, con el colector de cada uno conectado a la base del otro, como se muestra en la Fig. 4 para triodo tiristor. La unión p-n central actúa como un colector de huecos inyectados por la unión J1 y electrones inyectados por la unión J3. La relación entre las corrientes de emisor , colector y base y la ganancia de corriente estática del transistor pnp también se muestra en la Fig. 4 , donde es la corriente de saturación inversa de la unión colector-base. ${\ estilo de visualización I_ {E}}$ ${\ estilo de visualización I_ {C}}$ $yo_{b}$ $\alpha_{1}$ $I_{Co}$

Se pueden obtener relaciones similares para un transistor npn cuando se invierte la dirección de las corrientes. De la fig. 4 se deduce que la corriente de colector del transistor npn es también la corriente de base del transistor pnp. De manera similar, la corriente de colector del transistor pnp y la corriente de control fluyen hacia la base del transistor npn. Como resultado, cuando la ganancia total en el circuito cerrado excede 1, se hace posible un proceso similar a una avalancha de aumento de la corriente a través de la estructura, mientras que el voltaje en el dispositivo se vuelve igual a aproximadamente 1 V y la corriente está limitada solo por el resistencia del circuito externo. ${\ Displaystyle I_ {g}}$

La corriente base del transistor pnp es . Esta corriente también fluye a través del colector del transistor npn. ${\displaystyle I_{B1}=(1-\alpha _{1})\cdot I_{A}-I_{Co1))$

La corriente de colector del transistor npn con ganancia es $\alpha_2$ $I_{C2}=\alpha _{2}\cdot I_{K}+I_{Co2}.$

Igualando y , obtenemos: ${\ estilo de visualización I_ {B1}}$ ${\ estilo de visualización I_ {C2}}$

(1-\alpha _{1})\cdot I_{A}-I_{Co1}=\alpha _{2}\cdot I_{K}+I_{Co2}.

Desde entonces: $I_{K}=I_{A}+I_{g},$

I_{A}={\frac {\alpha_{2}I_{g}+I_{Co1}+I_{Co2}}{1-(\alpha_{1}+\alpha_{2} )}}.

Esta ecuación describe la respuesta estática del dispositivo en el rango de voltaje hasta la ruptura. Después de la avería, el dispositivo funciona como un diodo pin . Tenga en cuenta que todos los términos en el numerador del lado derecho de la ecuación son pequeños, por lo tanto, siempre que el término actual sea pequeño. Los coeficientes dependen y aumentan con el aumento de la corriente hasta sus valores altos. Si entonces desaparece el denominador de la fracción en la fórmula anterior para la corriente del ánodo, la corriente aumenta y se produce una ruptura reversible directa (o se enciende el tiristor). ${\ estilo de visualización \ alfa _ {1} + \ alfa _ {2} <1,}$ $I A}$ ${\ estilo de visualización \ alfa _ {1},}$ $\alpha_2$ $I A}$ ${\ estilo de visualización \ alfa _ {1} + \ alfa _ {2} = 1,}$

Si se invierte la polaridad del voltaje entre el ánodo y el cátodo, entonces J1 y J3 estarán polarizados inversamente y J2 estará polarizado directamente. En tales condiciones, el dispositivo no se enciende, ya que solo la unión pn central funciona como emisor portador de carga, y el proceso similar a una avalancha de crecimiento de corriente se vuelve imposible.

El ancho de las capas empobrecidas y los diagramas de bandas de energía en equilibrio, en los modos de bloqueo directo y conducción directa se muestran en las Figs. 5 . Con voltaje cero en el dispositivo, la región de agotamiento de cada unión y los potenciales de contacto están determinados solo por el perfil de distribución de impurezas. Cuando se aplica un voltaje positivo al ánodo, la unión J2 tiende a moverse en la dirección opuesta, mientras que las uniones J1 y J3 tienden a moverse hacia adelante. La caída de tensión entre el ánodo y el cátodo es igual a la suma algebraica de las caídas de tensión en las uniones: . A medida que aumenta el voltaje, aumenta la corriente a través del dispositivo y, en consecuencia, la $V_{AK}=V_{1}+V_{2}+V_{3}$ $\alpha_{1}$ ${\ estilo de visualización \ alfa _ {2}.}$

Debido a la naturaleza regenerativa de estos procesos, el dispositivo finalmente entrará en un estado abierto. Después de encender el tiristor, la corriente que fluye a través de él debe estar limitada por la resistencia de carga externa; de lo contrario, a una corriente suficientemente alta, el tiristor fallará. En estado activado, la unión J2 tiene polarización directa ( Fig. 5c ), y la caída de voltaje es aproximadamente igual a la suma del voltaje en una unión pn con polarización directa y el voltaje colector-emisor del transistor saturado. $V_{AK}=V_{1}-|V_{2}|+V_{3}$

El modelo de dos transistores se usa no solo para estudiar y describir los procesos que ocurren en el tiristor. La inclusión de transistores reales pnp y npn de acuerdo con el diagrama anterior es un circuito análogo a un tiristor y, a veces, se usa en equipos electrónicos.

Modo de conducción directa

Cuando el tiristor está encendido, las tres uniones tienen polarización directa. Los agujeros se inyectan desde la región p1 y los electrones desde la región n2, y la estructura n1-p2-n2 se comporta de manera similar a un transistor saturado con el contacto del diodo retirado a la región n1. Por lo tanto, el dispositivo en su conjunto es similar a un diodo pin (p + -in + ).

Efecto de dU/dt

Cuando se aplica un voltaje de polaridad directa al ánodo y al cátodo del tiristor con una tasa de aumento superior a cierto valor crítico, la estructura pnpn se abrirá incluso sin que se suministre la corriente de apertura al electrodo de control. Este efecto se debe a la capacitancia parásita entre el ánodo y el electrodo de control, la corriente de recarga de esta capacitancia con un aumento en el voltaje del ánodo se está abriendo en la capa del electrodo de control. Este efecto limita el uso de tiristores en circuitos de alta frecuencia, pero a veces se usa para accionar un tiristor en algunos circuitos. El parámetro se indica en los datos de referencia para un modelo de tiristor específico. $dU/dt>(dU/dt)_{\text{crit))$ $(dU/dt)_{\text{crítico))$

efecto di/dt

En el momento en que se abre el tiristor a lo largo del electrodo de control, debido a la falta de homogeneidad en el cristal semiconductor del dispositivo, la corriente comienza a fluir a través de la estructura en una cierta zona limitada en el área. El área de la zona de flujo de corriente aumenta gradualmente y eventualmente la corriente comienza a fluir a través de toda la superficie de la unión. Si la corriente después de la apertura del tiristor aumenta muy rápidamente, es decir, a di/dt > (di/dt) crit , entonces la zona donde fluye la corriente no “tiene tiempo” de expandirse a toda el área de unión y por lo tanto , en el lugar local del flujo de corriente inicial, su densidad alcanza valores en los que es posible la destrucción de las transiciones en la estructura debido a la ruptura térmica y la falla del dispositivo. Por lo tanto, al usar tiristores, la tasa de aumento de corriente debe ser limitada. El parámetro dicrit/dt es una referencia y está indicado en los catálogos para cada modelo de tiristor.

Clasificación de tiristores

Por conductividad y número de conductores [4] [5] [6] :

tiristor de diodo (nombre adicional " dinistor ") - un tiristor con dos salidas:
- diodo de tiristor, que no conduce en la dirección opuesta;
- diodo de tiristor, que conduce en la dirección opuesta;
- tiristor de diodo simétrico ( Diak );
tiristor triodo (nombre adicional "trinistor") - un tiristor con tres salidas:
- tiristor triodo, que no conduce en la dirección opuesta (nombre adicional "tiristor");
- tiristor triodo, conduciendo en la dirección opuesta (nombre adicional "tiristor-diodo");
- tiristor de triodo simétrico (otro nombre ruso es " simistor ", inglés en: TRIAC [7] );
- tiristor triodo asimétrico;
- tiristor bloqueable (nombre adicional "tiristor triodo conmutable").

Anteriormente, los tiristores se llamaban "diodos controlados" en la literatura rusa.

La diferencia entre un dinistor y un trinistor

No hay diferencias fundamentales entre un dinistor y un trinistor, sin embargo, si el dinistor se abre cuando se alcanza un cierto voltaje entre los terminales del ánodo y el cátodo, dependiendo del tipo de este dinistor, entonces en el trinistor el voltaje de apertura puede reducirse especialmente. aplicando un pulso de corriente de cierta duración y valor a su electrodo de control con una diferencia de potencial positiva entre el ánodo y el cátodo, y estructuralmente el trinistor difiere solo en presencia de un electrodo de control. Los SCR son los dispositivos más comunes de la familia de "tiristores".

La diferencia entre un tiristor triodo y un tiristor bloqueable

El cambio al estado cerrado de los tiristores convencionales se lleva a cabo reduciendo la corriente a través del tiristor al valor Ih o cambiando la polaridad del voltaje entre el cátodo y el ánodo.

Los tiristores bloqueables, a diferencia de los tiristores convencionales, bajo la influencia de la corriente del electrodo de control pueden pasar de un estado cerrado a un estado abierto, y viceversa. Para cerrar el tiristor bloqueable, es necesario pasar una corriente de polaridad opuesta a través del electrodo de control que la polaridad que provocó que se abriera.

Triac

Un triac (tiristor simétrico) es un dispositivo semiconductor, en su estructura es un análogo de la conexión antiparalela de dos tiristores. Capaz de pasar corriente eléctrica en ambas direcciones.

Características de los tiristores

Los tiristores modernos se fabrican para corrientes de 1 mA a 10 kA ; para tensiones desde varias decenas de voltios hasta varios kilovoltios; la tasa de aumento de corriente directa en ellos alcanza 10 9 A / s , voltaje - 10 9 V / s , el tiempo de encendido varía de varias décimas a varias decenas de microsegundos, tiempo de apagado - de varias unidades a varios cientos de microsegundos.

Los tiristores rusos comunes incluyen dispositivos KU202 (25-400 V , corriente 10 A ), importados: MCR100 ( 100-600 V , 0,8 A ), 2N5064 ( 200 V , 0,5 A ), C106D ( 400 V , 4 A ), TYN612 ( 600 V , 12 A ), BT151 ( 800 V , 7,5-12 A ) y otros.

No todos los tiristores permiten la aplicación de un voltaje inverso comparable al voltaje directo permitido. La potencia controlada a través del tiristor puede alcanzar hasta 100 MW.

Aplicación

Los tiristores se utilizan como parte de los siguientes dispositivos:

Notas

↑ Electrónica de estado sólido / Tutorial. 7.7. Trinistor Archivado el 13 de enero de 2019 en Wayback Machine .
↑ RADIO N° 3, 1986, pág. 41-42 . Fecha de acceso: 28 de enero de 2016. Archivado desde el original el 4 de febrero de 2016. (indefinido)
↑ E. B. Gumelya, G. N. Dzhunkovsky, Yu. A. Indlin, L. M. Kapchinsky, V. G. Korolkov, Ya. S. K., Terekhov V. A., Tolkacheva Ya. A. "Manual de un radioaficionado-diseñador" Bajo el general. edición R. M. Malinina. M., "Energía", 1973. S.325
↑ GOST 15133-77 Dispositivos semiconductores. Términos y definiciones.
↑ GOST 2.730-73 Dispositivos semiconductores. Los símbolos son condicionales en esquemas gráficos.
↑ GOST 20859.1-89 Dispositivos semiconductores de potencia. Especificaciones generales.
↑ Evseev Yu. A., Krylov S. S. Triacs y su uso en equipos eléctricos domésticos. Moscú: Energoatomizdat, 1990

Literatura

GOST 15133-77. Dispositivos semiconductores. Términos y definiciones.
Kublanovskiy. Ya. S. Dispositivos de tiristores. - 2ª ed., revisada. y adicional - M.: Radio y comunicación, 1987. - 112 p.: il. - (Radioteca de masas. Edición 1104).
Stepanenko IP Fundamentos de la teoría de transistores y circuitos de transistores. - M. : Energía, 1977.
Gerlach V. Tiristores. — M .: Energoatomizdat, 1985.

Enlaces

Tiristores: principio de funcionamiento, diseños, tipos y métodos de inclusión.
Control de tiristores y triacs a través de un microcontrolador o circuito digital.
Dispositivos convertidores en sistemas de suministro de energía.
Rogachev KD Tiristores bloqueables de potencia moderna.
Análogos domésticos de tiristores importados.
Libros de referencia sobre tiristores y análogos. Sustitución de tiristores, sustitución de diodos. diodos Zener.
BTA16-600B es el triac extranjero más común para control de ancho de pulso o clave de cargas conectadas a una fuente de alimentación de CA doméstica.

diccionarios y enciclopedias	Gran danés Britannica (en línea) Treccani
En catálogos bibliográficos	BNF : 11933674d TIERRA : 4060020-8 J9U : 987007536577305171 LCCN : sh85135157 NKC : ph538431

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