Тиристорный эффект в микросхемах что это

Тиристорный эффект в комплементарных МОП — схемах

Для того, чтобы сформировать в структуре микросхемы МОП — транзистора с каналами n— и p— типа, необходимо создать еще и изолированный «карман» с проводимостью противоположной проводимости подложки. На рис.1.6 показано сечение КМОП — структуры, сформированной в P — подложке. Получившаяся четырехслойная структура содержит три последовательно включенных p–n — перехода. Кроме МОП — транзисторов в ней присутствуют два паразитных биполярных транзистора n–p–n- и p–n–p- типов. Совмещенные коллекторные и базовые области биполярных транзисторов образуют тиристор.

Рис. 1.6. Сечение КМОП — структуры

Чтобы в этой структуре был возможен эффект «защелки», необходимо, чтобы произведение коэффициентов усиления по току двух биполярных транзисторов было больше единицы:

Это условие почти всегда выполняется.

Борьба с тиристорным эффектом ведется путем шунтирования эмиттерных переходов, т. е. истоковых областей МОП — транзисторов. В структуре рис. 1.6 подложка соединена с общей шиной, а «карман» n— типа – с шиной питания. При работе схемы из стоковых областей МОП — транзисторов в подложку и «карман» инжектируются емкостные и гальванические токи. Если сопротивление подложки или «кармана» велико, то эти токи смещают p–n — переход истока (эмиттер) в прямом направлении, возникает инжекция неосновных носителей в «карман» или подложку (базу), и «защелка» срабатывает. «Защелка» действует в схеме как замыкание между шинами питания и заземления. Отказ схемы может быть кратковременным (до выключения питания) или катастрофическим (выгорание контактов). Микросхемы с тиристорным эффектом считаются бракованными. Этот эффект усиливается при повышенной температуре. Поэтому проверку микросхем на наличие «защелки» проводят при максимальной рабочей температуре.

Прин­цип ра­бо­ты од­но­фаз­но­го ти­рис­торно­го ре­гу­ля­то­ра

Это был первый полупроводниковый диод — детектор. Позже были созданы детекторы с использованием естественных и искусственных кристаллических полупроводников (галена, цинкита, халькопирита и т. д.).

Такой детектор состоял из кристалла полупроводника, впаянного в чашечку-держатель, и стальной или вольфрамовой пружинки с заостренным концом (рис. 1). Положение острия на кристалле находили опытным путем, добиваясь наибольшей громкости передачи-радиостанции.

Рис. 1. Полупроводниковый диод — детектор.

В 1922 г. сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев обнаружил замечательное явление: кристаллический детектор, оказывается, может генерировать и усиливать электрические колебания.

Это было настоящей сенсацией, но недостаточность научных познаний, отсутствие нужного экспериментального оборудования не позволили в то время глубоко исследовать суть процессов, происходящих в полупроводнике, и создать полупроводниковые приборы, способные конкурировать с электронной лампой.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковые диоды обозначают символом, сохранившимся в общих чертах со времен первых радиоприемников (рис. 2,6).

Рис. 2. Обозначение и структура полупроводникового диода.

Вершина треугольника в этом символе указывает направление наибольшей проводимости (треугольник символизирует анод диода, а короткая черточка, перпендикулярная линиям-выводам,— его катод).

Этим же символом обозначают полупроводниковые выпрямители, состоящие, например, из нескольких последовательно, параллельно или смешанно соединенных диодов (выпрямительные столбы и т. п.).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для защиты интегральных микросхем от тиристорного эффекта, содержащее датчик тока, резистивный мост, состоящий из первого и второго резистивных делителей, состоящих соответственно из последовательно включенных первого и второго резисторов и третьего и четвертого резисторов, при этом первый резистивный делитель включен между первым выводом датчика тока и общей шиной, второй резистивный делитель — между вторым выводом датчика тока и общей шиной, компаратор напряжения, генератор импульсной последовательности с большой скважностью, выход которого подключен к S-входу RS-триггера, мощный p-n-р транзистор, база которого подключена к инверсному выходу RS-триггера, первый n-p-n транзистор, база которого подключена к прямому выходу RS-триггера, а эмиттер — к общей шине, отличающееся тем, что в него введены пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы, второй n-p-n транзистор, первый, второй и третий конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой диоды, при этом входная клемма устройства соединена с первым выводом пятого резистора, коллектором второго n-р-n транзистора и с эмиттером мощного p-n-р транзистора, неинвертирующий вход компаратора соединен со средней точкой первого резистивного делителя, инвертирующий вход компаратора — со средней точкой второго резистивного делителя, между входами компаратора подключен первый конденсатор, шестой резистор подключен между вторым выводом пятого резистора и общей шиной, база второго n-p-n транзистора подключена к точке соединения пятого и шестого резисторов, первый диод анодом подсоединен к эмиттеру второго n-р-n транзистора, а катодом — к инвертирующему входу компаратора, второй диод подсоединен анодом к инвертирующему входу компаратора, а катодом — к неинвертирующему входу компаратора, первый вывод питания компаратора подключен к входной клемме, а второй вывод питания компаратора соединен с общей шиной, первый вывод датчика тока соединен с коллектором р-n-р транзистора, второй вывод датчика тока соединен с выходом устройства, между первым выводом датчика тока и общей шиной подключен второй конденсатор, седьмой резистор подключен между входной клеммой и выходом компаратора, катод третьего диода соединен с выходом компаратора, а анод этого диода — с анодом четвертого диода, катод последнего соединен с анодом пятого диода, катод которого соединен с R — входом RS-триггера, восьмой резистор подключен между входной клеммой и точкой соединения анодов третьего и четвертого диодов, между упомянутой точкой соединения диодов и общей шиной подключены последовательно соединенные третий конденсатор и девятый резистор, катод шестого диода соединен с катодом четвертого диода, а анод — с клеммой «Вх. имп.», между коллектором мощного p-n-р транзистора и коллектором первого n-p-n транзистора подключен десятый резистор.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что RS-триггер содержит первый и второй диоды, первый и второй p-n-р транзисторы, причем между базой и шиной питания каждого из этих транзисторов подключены соответственно первый и второй резисторы тепловой утечки, а эмиттер второго p-n-р транзистора подключен к шине питания, первый, второй и третий n-p-n транзисторы, причем между базой и общей шиной каждого из упомянутых транзисторов включены соответственно третий, четвертый и пятый резисторы тепловой утечки, эмиттеры первого и третьего n-p-n транзисторов подключены к общей шине, база первого n-р-n транзистора через шестой резистор соединена с входом R RS-триггера, коллекторы первого и второго n-p-n транзисторов соединены между собой, при этом через седьмой резистор они подключены к базе первого p-n-р транзистора, а через восьмой резистор — к базе второго p-n-р транзистора, коллектор третьего n-р-n транзистора через девятый резистор соединен с коллектором первого р-n-р транзистора, база третьего n-p-n транзистора через десятый резистор соединена с входом S RS-триггера, коллектор второго p-n-р транзистора соединен с инверсным выходом RS-триггера и через одиннадцатый резистор — с общей шиной, анод первого диода соединен с шиной питания, а катод — с эмиттером первого р-n-р транзистора, катод второго диода соединен с общей шиной, а его анод — с эмиттером второго n-р-n транзистора, между катодом первого диода и анодом второго диода подключен двенадцатый резистор, коллектор первого р-n-р транзистора через тринадцатый резистор соединен с прямым выходом RS-триггера, а между последним и общей шиной подключен четырнадцатый резистор.

Диодные мосты

Для питания радиоаппаратуры часто используют мостовые выпрямители. Начертание тажой схемы соединения диодов (квадрат, стороны которого образованы символами диодов) давно уже стало общепринятым, поэтому для обозначения таких выпрямителей стали иополикшать упрощенный символ — квадрат с символом одного диода внутри (рис. 3).

Рис. 3. Обозначение диодного моста.

В зависимости от значения выпрямленного напряжения каждое плечо моста может состоять из одного, двух и более диодов. Полярность выпрямленного напряжения на схемах не указивают так как ее однозначно определяет аимвол диода внутри квадрата.

Мосты конструктивно объединенные в одном корпусе, изображают отдельно показивая принадлежность к одному изделию в позиционном обозначены. Рядом с позиционным обозначением диодов, как и всех других полупроводниковых приборов, как правило, указывают их тип.

На основе символа диода построены условные обозначения полупроводниковых диодов с особыми свойствами. Для получения нужного символа используют специальные знаки, изВбражаемые либо на самом базовом символе, либо в непосредственной близости от него, а чтобы акцентировать внимание на некоторых из них, базовый символ помещают в круг — условное обозначение корпуса полупроводникового прибора.

Применение регулятора в быту и техника безопасности

Нельзя не сказать о том, что данная схема не обеспечивает гальванической развязки от сети, поэтому существует опасность поражения электрическим током. Это значит, что не стоит касаться руками элементов регулятора. Необходимо использовать изолированный корпус. Следует проектировать конструкцию вашего прибора так, чтобы по возможности вы могли спрятать её в регулируемом устройстве, найти свободное место в корпусе. Если регулируемый прибор располагается стационарно, то вообще имеет смысл подключить его через выключатель с регулятором яркости света. Такое решение частично обезопасит от поражения током, избавит от необходимости поиска подходящего корпуса, имеет привлекательный внешний вид и изготовлено промышленным методом.

Туннельные диоды

Знаком, напоминающим прямую скобку, обозначают катод туннельных диодов, (рис. 4,а). Их изготовляют из полупроводниковых материалов с очень большим содержанием примеси, в результате чего полупроводник превращается в полуметалл. Благодаря необычной форме вольт-амперной характеристики (на ней имеется участок отрицательного сопротивления) туннельные диоды используют для усиления и генерирования электрических сигналов и в переключающих устройствах. Важным достоинством этих диодов является то, что они могут работать на очень высоких частотах.

Рис. 4. Тунельный диод и его обозначение.

Разновидность туннельных диодов — обращенные диоды, у которых при малом напряжении на р-п переходе проводимость в обратном направлении больше, чем в прямом.

Используют такие диоды в обратном включении. В условном обозначении обращенного диода черточку-катод изображают с двумя штрихами, касающимися ее своей’серединой (рис. 4,6).

Основные характеристики тиристоров, на которые стоит обратить внимание при покупке

• Максимально допустимый ток. Эта величина характеризует наибольшее значение тока открытого тиристора. У мощных устройств она составляет несколько сотен ампер.
• Максимально допускаемый обратный ток.
• Прямое напряжение. Этот параметр тиристора равен падению напряжения при максимально возможном токе.
• Обратное напряжение. Характеризует максимально допустимое напряжение на устройстве, находящемся в закрытом состоянии, при котором оно не утрачивает способность выполнять свои функции.
• Напряжение включения. Это наименьшая величина, при которой возможно функционирование тиристора.
• Минимальный ток управляющего электрода. Равен величине тока, которого достаточно для активации устройства.
• Наибольшая допустимая рассеиваемая мощность.

Стабилитроны

Прочное место в источниках питания, особенно низковольтных, завоевали полупроводниковые стабилитроны, работающие также на обратной ветви вольт-амперной характеристики.

Это плоскостные кремниевые диоды, изготовленные по особой технологии. При включении их в обратном направлении и определенном напряжении -на переходе последний «пробивается», и в дальнейшем, несмотря на увеличение тока через- переход напряжение на нем остался почти неизменным.

Рис. 5. Стабилитрон и его обозначение на схемах.

Благодари этому свойству стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизирующих элементов, а также источников образцовых напряжений в стабилизаторах на транзисторах.

Для получения малых образцовых напряжений стабилитроны включают в прямом направлении, при этом напряжение стабилизации одного стабилитрона равно 0,7… 0,8 В. Такие же результаты получаются при включении в прямом направлении обычных кремниевых диодов.

Для стабилизации низких напряжений разработаны и широко применяются специальные полупроводниковые диоды — стабисторы. Отличие их от стабилитронов в том, что они работают на прямой ветви вольт-амперной характеристики, т. е. при включении в прямом (проводящем) направлении.

Чтобы показать на схеме стабилитрон, черточку-катод базового символа дополняют коротким штрихом, направленным в сторону символа анода (рис. 5,а). Следует отметить, что расположение штриха относительно символа анода должно быть неизменным независимо от положения условного обозначения стабилитрона на схеме.

Это в полной мере относится и к символу двух-анодного (двустороннего) стабилитрона (рис. 5,6), который можно включать в электрическую цепь в любом направлении (по сути, это два встречно включенных одинаковых стабилитрона).

Тиристорный регулятор мощности с плавным пуском на 1000 Вт

Предыстория создания девайса такова. Задумал я как то покрасить крыло своего автомобиля. Приехал в гараж, подготовился. Так как погода была прохладная, то для быстрой сушки крыла его нужно было нагреть. Из подручных средств, для бесконтактной сушки, я не нашёл ни чего лучше чем прожектор ПКН мощностью 1 кВт. Однако его лампа выдерживала 10-15 включений. А такую лампу в моём городе найти не такая уж легкая задачка. По этой причине я вооружился давно знакомой мне микросхемкой К1182ПМ1, двумя завалявшимися тиристорами и сделал устройство для плавного включения ПКН. Сначала было собрано устройство без внешних органов управления. Но позднее я подумал, что такую мощную штуковину можно использовать не только как плавный пуск, но и как регулятор мощности для устройств, потребляющих чисто активную нагрузку. Например, электронагреватель. И тогда было принято решение «прикрутить» к устройству ещё и переменный резистор для ручной регулировки мощности. Получалось следующее.

Схема устройства проста.

220 В последовательно подключается предохранитель на 8 А, нагрузка в виде лампы, и 2 тиристора Т142-80-4-2 включенные встречно параллельно. Для того чтобы через цепи управления каждого из тиристоров, в нерабочий полупериод, не протекал ток управления, используется развязка из диодов КД411ВМ. Это гарантирует правильную работу тиристоров во время рабочего полупериода сетевого напряжения.

Резистор 600 Ом используется для ограничения тока управления. А при помощи регулировочного резистора 68 кОм меняется мощность, отдаваемая в нагрузку (в моём случае в качестве нагрузки выступает прожектор).

Принцип работы устройства можно понять из рисунка. Для регулировки мощности изменяется угол открытия тиристоров. Чем больше угол α, тем меньшая часть синусоиды пропускается в нагрузку. Когда α = 1800 оба тиристора полностью закрыты и мощность в нагрузку не передаётся. Когда α = 00 в нагрузку поступает вся синусоида полностью и соответственно передаётся полная мощность. В первый момент после включения нагрузки угол α всегда равен 1800. Далее он начинает плавно уменьшаться до значения соответствующего текущему положению регулировочного резистора. За счёт этого и достигается плавный пуск.

Замечу, что данное устройство можно использовать только с активной нагрузкой, так как в случае реактивной нагрузки используются несколько иные способы регулирования мощности.

Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии для данных тиристоров составляет 80 А. Не трудно подсчитать, что максимальная мощность, которую можно через них пропустить, равна Р=220*80=17600 Вт. Однако это теоретическое значение, которое я не проверял на практике и поэтому не возьмусь утверждать что система выдержит мощность в 17 кВт. На практике мной подключалась нагрузка в 1 кВт. При этом радиаторы совершенно не грелись. Такие большие радиаторы я применил только по той причине, что тиристоры уже были прикручены к ним. Поэтому для данной конструкции подойдут и радиаторы, гораздо меньшего размера.

На этой фотографии к устройству ещё не подключена розетка и сетевой шнур.

P.S. Первоначально печатка разводилась под другие диоды. Но потом жизнь внесла свои коррективы. Поэтому, даже если вы будете ставить диоды КД411ВМ, то печатку лучше переделать под их реальные размеры. Хотя у меня и так влезло

Разработано и изготовлено Дмитрием Чупановым ([email protected])

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
Микросхема	К1182ПМ1	1	Поиск в Aliexpress	В блокнот
Тиристор	Т142-80-4-2	2	Поиск в Aliexpress	В блокнот
Диод	КД411В	4	Поиск в Aliexpress	В блокнот
Электролитический конденсатор	100 мкФ 16В	1	Поиск в Aliexpress	В блокнот
Конденсатор	1мкФ 5В	2	Поиск в Aliexpress	В блокнот
Переменный резистор	68 кОм	1	Поиск в Aliexpress	В блокнот
Резистор	3.3 кОм	1	Поиск в Aliexpress	В блокнот
Резистор	600 Ом 1Вт	1	Поиск в Aliexpress	В блокнот
Предохранитель	8А	1	Поиск в Aliexpress	В блокнот
Добавить все

Прикрепленные файлы:

• Даташиты.rar (1129 Кб)
• плавный пуск.rar (5 Кб)

• Sprint-Layout
• Диммер

Варикапы

Электронно-дырочный переход, к которому приложено обратное напряжение, обладает свойствами конденсатора. При этом роль диэлектрика играет сам р-п переход, в котором свободных носителей зарядов мало, а роль обкладок — прилежащие слои полупроводника с электрическими зарядами разного -знака — электронами и дырками. Изменяя напряжение, приложенное к р-п переходу, можно изменять его толщину, а следовательно, и емкость между слоями полупроводника.

Рис. 6. Варикапы и их обозначение на принципиальных схемах.

Это явление использовано в специальных полупроводниковых приборах — варикапах [от английских слов vari(able) — переменный и cap(acitor) — конденсатор]. Варикапы широко применяют для настройки колебательных контуров, в устройствах автоматической подстройки частоты, а также в качестве частотных модуляторов в различных генераторах.

Условное графическое обозначение варикапа (см. рис. 6,а), наглядно отражает их суть: дне параллельные черточки воспринимаются как символ конденсаторе. Кик и конденсаторы переменной емкости, варикапы часто изготовляют и виде блоков (их называют матрицами) с общим катодом и раздельными анодами. Для примера на рис. 6,6 показано обозначение матрицы из двух варикапов, а на рис. 6,в — из трех.

Управление и его корректировка по «минусу»

Представленные выше схемы идеальны для внедрения их в устройство автомобиля. Стоит учесть, что сложность выполнения электрических схем заключается в замыкании некоторых контактов относительно полюса, а остальных по минусу (корпусной части или приводу).

Для управления приведенной схемой по минусу, необходимо осуществить ее доработку. К примеру, следует заменить транзистор на «p-канальный», для этого подойдет IRF9540N. Далее, вывод к минусу конденсатора нужно соединить с точкой троих резисторов, которая является общей для них. К истоку VT1 следует замкнуть плюсовой вывод. Подлежащая доработке схема будет иметь обратную полярность в своем питании, при этом плюсовой контакт при управлении сменится минусовым.

Тиристоры

На основе базового символа диода построены и условные обозначения тиристоров (от греческого thyra — дверь и английского (resi)stor — резистор). Это диоды, представляющие собой чередующиеся слои кремния с электропроводностью типов р и п. Таких слоев в тиристоре четыре, т. е. он имеет три р-п перехода (структура р-п-р-п).

Тиристоры нашли широкое применение в различных регуляторах переменного напряжения, в релаксационных генераторах, коммутирующих устройствах и т. д.

Рис. 7. Тиристор и его обозначение на принципиальных схемах.

Тиристоры с выводами только от крайних слоев структуры называют динисторимн и обозначают символом диода, перечеркнутым отрезком линии, паралельной черточке-катоду (рис 7,а). Такой же прием использован и при построении обозначения симметричного динистора (рис. 7, б), проводящего ток (после включения) в обоих направлениях.

Тиристоры с дополнительным (третьим) выводом (от одного из внутрених слоен структуры) называют тринисторами. Управление по катоду в обозначении этих приборов показывают ломаной линией, присоединенной к символу катода (рис. 7,в), по аноду — линией, продолжающей одну из сторон треугольника, символизирующего анод (рис. 7,г).

Условное обозначение симметричного (двунаправленного) трииистора получают из символа симметричного динистора добавлением третьего вывода (рис. 7,(5).

Преимущества светодиодов на основе тиристоров

По сети гуляет анекдот, связанный с тем, что в ответ на вопрос, мигает ли лампочка на модеме, пользователь ответил, что свет мигающий, но это не лампочка, а тиристорный светодиод, чем и сбил с толку работников техподдержки провайдера, поскольку таких светодиодов просто не бывает.

Тиристор может выполнять только роль своеобразного ключа, управляющего мощной нагрузкой, а также переключателя. Определение тиристорный светодиод появилось после того, как производители светильников заменили дорогостоящий диодный мост, применявшийся для того, чтобы запустить LED. Создав прибор, состоящий из 2-х тиристоров, подключенных параллельно-встречным путем, удалось избавиться от диодного моста. Благодаря тому, что был использован такой своеобразный тиристорный светодиод — цена LED-светильников значительно снизилась и стала приемлемой для покупателя.

Свойства электронного ключа позволяют создать не только плавное включение светодиодов – тиристора применяются и в схемах, обеспечивающих постепенное включение/выключение даже простых ламп накаливания (специальные выключатели). Учитывая приемлемую цену LED-светильников без диодного моста, плавное включение и выключение светодиодов на тиристоре значительно расширяет область применения этого современного и эффективного средства подсветки и освещения.

Фотодиоды

Основной частью фотодиода является переход, работающий при обратном смещении. В его корпусе имеется окошко, через которое освещается кристалл полупроводника. В отсутствие света ток через р-п переход очень мал — не превышает обратного тока обычного диода.

Рис. 8. Фотодиоды и их изображение на схемах.

При освещении кристалла обратное сопротивление перехода резко падает, ток через него растет. Чтобы показать такой полупроводниковый диод на схеме, базовый символ диода помещают в кружок, а рядом с ним (слева сверху, независимо от положения символа) изображают знак фотоэлектрического эффекта — две наклонные параллельные стрелки, направленные в сторону символа (рис. 8,а).

Подобным образом нетрудно построить и условнбе обозначение любого другого полупроводникового прибора, изменяющего свои свойства под действием оптического излучения. В качестве примера на рис. 8,6 показано обозначение фотодинистора.

Регулирование режима работы СИДа тиристором

Сегодня работа системы светодиод – тиристор осуществляется в совсем другом виде, чем в лаборатории учёных. Для изменения параметров работы осветительных приборов со светоизлучающими диодами используются устройства-диммеры, в которых используются тиристоры, динисторы, симисторы. Диммеры соединяются с регулируемыми нагрузками последовательно и позволяют плавно изменять яркость свечения светодиодов за счёт изменения мощности цепи.

Таким образом, светодиод с тиристорной структурой не фантастика, а реальное достижение науки. Эффект использования pn-перехода именно тиристорной структуры позволил увеличить оптическую мощность устройства, что может быть важным при разработке новых устройств.

Светодиоды и светодиодные индикаторы

Полупроводниковые диоды, излучающие свет при прохождении тока через р-n переход, называют светодио-дами. Включают такие диоды в прямом направлении. Условное графическое обозначение светодиода похоже на символ фотодиода и отличается от него тем, что стрелки, обозначающие оптическое излучение, помещены справа от кружка и направлены в противоположную сторону (рис. 9).

Рис. 9. Светодиоды и их изображение на схемах.

Для отображения цифр, букв и других знаков в низковольтной аппаратуре часто применяют светодиодные знаковые индикаторы, представляющие собой наборы светоизлучающих кристаллов, расположенных определенным образом и залитых прозрачной пластмассой.

Условных обозначений для подобных изделий стандарты ЕСКД не предусматривают, но на практике часто используют символы, подобные показанному на рис. 10 (символ семисегментного индикатора для отображения цифр и запятой).

Рис. 10. Обозначение светодиодных сегментных индикаторов.

Как видно, такое графическое обозначение наглядно отражает реальное расположение светоизлучающих ‘элементов (сегментов) в индикаторе, хотя и не лишено недостатка: оно не несет информации о полярности включения выводов индикатора в электрическую цепь (индикаторы выпускают как с общим для всех сегментов выводом анода, так и с общим выводом катода).

Однако особых затруднений это обычно не вызывает, поскольку подключение общего вывода индикатора (как, впрочем, и микросхем) оговаривают на схеме.

Перспективы применения плавного розжига светодиодов

Необычные компоновки LED-светильников находят все большее применение в автомобилестроении, в дизайнерском оформлении зданий и помещений, создании непередаваемой атмосферы игры света на различных массовых мероприятиях. Учитывая возможность самостоятельно смонтировать плавное включение светодиода, в ближайшие годы можно ожидать еще большего их распространения. Даже простая схема для плавного розжига и выключения светодиодов значительно повышает комфортность их применения:

• подсветка на приборах включается/выключается плавно, не ослепляя водителя в ночное время;
• свет в салоне зажигается постепенно при открытии дверей;
• плавное включение габаритного освещения значительно продлевает срок эксплуатации LED-светильников.

Примечательно, что устройство плавного розжига светодиодных ламп, при небольшой потребляемой мощности, предполагает лишь параллельный монтаж полярного конденсатора. Емкость конденсатора не должна быть больше 2200 МкФ, а его плюсовой вывод припаивается к анодному проводу светодиода. Отрицательный вывод – присоединяется к катодному проводу.

О полярности при пайке конденсатора следует помнить, иначе он может просто взорваться при розжиге.

Физика радиационных эффектов, влияющих на электронику в космосе

Сверху – параметры центрального процессора iPhone5, внизу – марсохода Curiosity. Бортовой компьютер марсохода стоит приблизительно в двести раз дороже нового айфона. Почему так? Центральный процессор космического аппарата должен быть устойчивым к воздействию радиации. На Хабре уже была хорошая обзорная статья о космической электронике, а я постараюсь подробнее рассказать о физических принципах и эффектах, стоящих за сбоями и отказами в космосе.

Рисунок 1. Стоимость одноплатных компьютеров RAD компании BAE Systems измеряется в сотнях тысяч долларов.

Основные источники радиации – Солнце и звезды. Собственное светило снабжает нас протонами и электронами; от остальных звезд летит все подряд, включая, например, ядра тяжелых элементов. Обитателей Земли от радиации защищает магнитное поле, собирающее пролетающие частицы в радиационные пояса земли (также называемые поясами ван Аллена), и атмосфера, задерживающая то, что остаётся.э Они же – серьезная проблема для космических аппаратов, так что время, проводимое ими в радиационных поясах, стараются минимизировать.

Рисунок 2. Радиационные пояса Земли.

Что происходит, когда микросхема попадает в космос? Основные эффекты – накопление полной поглощенной дозы (total ionizing dose, TID), эффекты, связанные с воздействием одиночных ионизирующих частиц (Single Event Effects, SEE), и эффекты смещения (displacement damage), когда прилетающие частицы выбивают атомы с их мест в кристаллической решетке.

Полная поглощенная доза излучения обуславливает дрейф некоторых характеристик микросхемы, который способен вызвать отказ, как параметрические, так и функциональные. Наиболее важные механизмы различаются от технологии к технологии; для современных микросхем актуальны радиационно-индуцированные токи утечки, а в старых технологиях важную роль играл сдвиг порогового напряжения транзистора.

Под действием ионизирующего излучения в микросхеме происходит образование электронно-дырочных пар. Эти пары в нормальных условиях достаточно быстро рекомбинируют (то есть оторвавшийся электрон захватывается атомом обратно), однако в электрическом поле дырки и электроны могут разделяться (потому что заряды противоположного знака движутся в поле в разные стороны). Основной изолятор, используемый в кремниевых микросхемах – диоксид кремния (SiO₂). Подвижность электронов и дырок в SiO₂ различается на несколько порядков, поэтому электроны достаточно быстро выносятся в кремний, а дырки могут накапливаться в оксиде и на границе оксида с кремнием.

Если заряд накопился в подзатворном диэлектрике МОП-транзистора, он будет влиять на его работу как дополнительно приложенное положительное напряжение (или как сдвиг порогового напряжения). В результате n-канальный транзистор будет приоткрываться. В старых технологиях с толстыми подзатворными диэлектриками сдвиг порогового напряжения n-канальных транзисторов мог быть достаточно большим для того, чтобы транзистор полностью переставал закрываться, что естественным образом приводило к потере работоспособности схемы. Впрочем, уменьшение порогового напряжения еще раньше приводило к тому, что общий ток потребления микросхемы превышал допустимый уровень из-за утечек.

В современных технологиях толщина подзатворного диэлектрика составляет единицы нанометров, и в них попросту не может накопиться достаточно дырок для того, чтобы пороговое напряжение транзистора серьезно изменилось. Поэтому главную роль играет накопление заряда в других имеющихся в микросхеме оксидах, а именно в боковой изоляции, разделяющей соседние транзисторы, и на ее границе в подзатворным диэлектриком. На рисунке показано сечение МОП-транзистора вдоль затвора. Светлый слой – кремний, темный – SiO₂. Хорошо видно, что боковая изоляция намного толще, чем подзатворный диэлектрик. Разница на картинках (а) и (б) связано с различными методами изготовления изоляции и играет важную роль в радиационной стойкости транзистора.

Рисунок 3. Разрез МОП структур с боковой изоляцией типа LOCOS и STI.

В толстом изолирующем диэлектрике электрическое поле невелико, и разделение электронно-дырочных пар проходит плохо. В подзатворном диэлектрике поле большое, однако сам оксид тонкий. А вот в переходной области все хорошо (то есть все плохо): оксид достаточно толстый, чтобы в нем накапливался заряд, а электрическое поле достаточно большое, чтобы дырки и электроны эффективно разделялись.

Транзистор в микросхеме можно представить как суперпозицию собственно транзистора и двух расположенных с боков паразитных транзисторов, у которых роль подзатворного диэлектрика играет переходный слой между подзатворным диэлектриком основного транзистора и боковой изоляцией. Пороговое напряжение основного транзистора при воздействии дозы излучения меняется мало, а вот порог паразитных структур может уменьшаться до нуля, создавая каналы протекания тока, не не управляемые основным затвором. Через эти каналы ток свободно течет из стока в исток – что и называется током утечки.

Утечки, как я говорил выше, приводят к росту тока потребления схемы (что может быть неприемлемо в космическом аппарате, где доступная мощность весьма скромна) и даже к функциональным отказам. Например, распространенная проблема флэш-памяти связана не с запоминающими элементами, а с генератором высокого напряжения, используемым для перезаписи. В этом генераторе есть ключи, которые из-за утечек перестают полностью закрываться, без чего невозможно формирование напряжения, достаточного для перезаписи памяти.

Одиночные эффекты возникают при попадании в транзистор одной ионизирующей частицы (протона, нейтрона или ядра более тяжелого элемента) и делятся на «мягкие» (сбои) и «жесткие» (отказы), Последние – достаточно редкое явление, характерное для мощных схем и малоизученное. Варианты отказов включают пробой подзатворного диэлектрика и прогорание транзистора из-за возникновения проводящего канала между стоком и истоком, а также тиристорный эффект, на котором я остановлюсь подробнее чуть позже.

У «мягких» сбоев есть два основных механизма – первичная и вторичная ионизация. Первая характерна для тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ; ими в данном контексте называют все ядра тяжелее протона), вторая – для протонов и нейтронов. Пролетая через микросхему, частица тормозится из-за взаимодействия с кристаллической решеткой и отдает ей часть своей энергии (этот процесс можно сравнить с нагревом при трении).

Энергия, выделившаяся при пролете частицы, ионизирует атомы кремния. В нормальных условиях подавляющее большинство оторванных от атомов электронов возвращается обратно, но если ионизация происходит вблизи сильного электрического поля, оно может разделить электроны и дырки. Механизм сходен с тем, что происходит при накоплении дозы, но носители заряда не могут накапливаться в кремнии, и длительность одиночных эффектов измеряется не в месяцах, а в пикосекундах.

Сильное электрическое поле в кремнии – это истоковый pn-переход закрытого транзистора, разделение заряда вблизи которого приводит к тому, что носители заряда одного знака попадают в лини земли/питания, а второго – на сток транзистора. С точки зрения внешнего наблюдателя результат процесса выглядит как импульс тока с передним фронтом в несколько десятков пикосекунд и задним – в несколько сотен. Точные параметры импульса зависят от многих факторов, в том числе технологии изготовлении микросхемы, угла падения частицы и т.д.

Если проинтегрировать получившийся импульс тока по времени, мы получим полный заряд, выделившийся в результате попадания ТЗЧ. Минимальный заряд, приводящий к сбою, называется критическим зарядом сбоя (critical charge). Критический заряд зависит от параметров как пораженной схемы, так и падающей частицы; кроме того, его очень сложно измерить экспериментально, поэтому он обычно применяется для моделирования взаимодействия схемы и частицы и для сравнительного моделирования сбоеустойчивости разных схем.

Энерговыделение принято выражать при помощи линейной передачи энергии (ЛПЭ; английский термин – Linear Energy Transfer, LET), измеряемой в МэВ×см 2 /мг или точнее, в (МэВ/(мг/см 3 ))/см. Одна единица ЛПЭ – это количество энергии выделяемое пролетающей частицей за сантиметр пролетаемого расстояния на единицу плотности вещества, через которое летит частица. Определение на первый взгляд весьма запутанное, но выбранная именно таким образом единица измерения обладает несколькими важными достоинствами: во-первых, численное значение относительно просто измерить экспериментально; во-вторых, в-третьих, применяемые на практике значения обычно укладываются в диапазон от единицы до сотни.

ЛПЭ – величина не постоянная, то есть параметры пролетающей частицы у крышки корпуса микросхемы, на границе кристалла и непосредственно у транзистора под многочисленными слоями будут разными. Из этого, однако, не следует, что более толстый корпус может помочь – зависимость ЛПЭ от дистанции, пройденной в кремнии, обычно имеет максимум на некоторой глубине (так называемый Брэгговский пик). Подобный эффект используется в радиационной терапии и в некоторых операциях изготовления микросхем: параметры имплантируемых ионов подбираются таким образом, чтобы они останавливались на определенной глубине и создавали на глубине слой с большим уровнем легирования.

Протоны и нейтроны имеют очень маленькую ЛПЭ (приблизительно 0,01 МэВ×см 2 /мг), однако при пролете высокоэнергетического протона/нейтрона через кремний существует вероятность ядерной реакции, продуктами которой являются ионы с коротким пробегом, но большой ЛПЭ (до 15 МэВ×см 2 /мг). В технологических процессах с не алюминиевой, а медной металлизацией (180 нм и ниже), кроме того, описаны механизмы взаимодействия протонов с вольфрамом, применяемым для контактов первого уровня (и расположенным, таким образом, прямо над чувствительными pn-переходами). ЛПЭ продуктов таких реакций может достигать 30 МэВ×см 2 /мг.

Характерные минимальные ЛПЭ падающих частиц, приводящие к сбою – в пределах десятки для технологий с проектными нормами 500-250 нм, и порядка единицы для суб-100 нм технологий, в которых критический заряд может быть так мал, что даже первичная ионизация от протонов и нейтронов способна вызвать сбой. Кроме того, маленький критический заряд сбоя приводит к тому, что достаточный заряд может разделиться при пролете частицы не только через обратно смещенный стоковый pn-переход, но и через несмещенный истоковый, что существенно увеличивает уязвимую площадь на кристалле.

Короткий импульс тока воспринимается микросхемой как импульсная помеха, и, если его амплитуда достаточно велика, он может привести к переключению элемента, стоящего за пораженным транзистором – это и есть радиационно-индуцированный сбой. Комбинационные и аналоговые схемы в момент прохождения импульса тока выдает неверный результат, а запоминающие элементы переключаются насовсем. Таким образом, наиболее уязвимой частью микропроцессора является кэш-память: ее на кристалле много, и сбои в ней не проходят сами по себе.

Рисунок 4. Схема шеститранзисторного запоминающего элемента.

Для примера удобнее всего описать механизм сбоя в шеститранзисторной ячейке статической памяти (простейшем из используемых запоминающих элементов). Запоминающий элемент состоит из двух соединенных положительными обратными связями инверторов (M1-M2 и M3-M4) и двух ключей (M5-M6). В режиме хранения два транзистора закрыты, а два открыты, и на выходах инверторов противоположные значения. Пусть для определенности открыты транзисторы M1 и M4. При попадании ТЗЧ в сток закрытого транзистора (M2 или M3) возникает импульс ионизационного тока, и в ячейке начинаются два процесса: срабатывание положительной обратной связи и рассасывание индуцированного заряда. Эти процессы являются независимыми (их временные константы определяются разными транзисторами) и конкурирующими (эффекты от воздействия процессов противоположны).

Пусть попадание произошло в транзистор закрытый транзистор M2, на стоке которого в результате появился импульс тока. Транзистор М1 в этот момент полностью открыт и имеет маленькое сопротивление, то есть индуцированный ТЗЧ ток через него проходит в землю. Однако емкость узла nQ может быть достаточно большой для того, чтобы его потенциал этого узла вырос на значительное время. Возрастание потенциала узла nQ приводит к переключению второго инвертора (M3-M4). При этом выходное напряжение второго инвертора меняется таким образом, что сопротивление транзистора M1 растет, а транзистор M2 приоткрывается. Если этот процесс происходит дольше, чем процесс рассасывания заряда, то запоминающий элемент переключается, и в нем оказывается записано неверное значение – это и есть радиационно-индуцированный сбой (single event upset, SEU).

Сбои в комбинационной логике проходят несколько проще сбоев в запоминающих элементах – здесь нет обратной связи, и повышение потенциала пораженного узла напрямую передается на следующий каскад. В случае, если амплитуда напряжения достаточно велика, следующий каскад переключается – и дальше по схеме распространяется переходный процесс (single event transient, «иголка» на российском жаргоне). Со сбоями в комбинационной логике связаны дополнительные эффекты, влияющие на то, как схема реагирует на сбой. С одной стороны, есть эффект логического маскирования: не все изменения входных состояний влияют на выход схемы (например, переключение одного из входов элемента «2ИНЕ» не влияет на выход, если на втором входе логический ноль). С другой стороны, если выход пораженной схемы нагружен несколькими элементами, то сбой попадет на входы каждого из них (представьте себе сбой в самом начале дерева тактовых сигналов). И наконец, временное маскирование: на выходе любой комбинационной схемы стоит триггер, запоминающий значения в определенные промежутки времени. При работе на малых частотах вероятность того, что импульс целиком придется на время, в которое триггер ничего не запоминает, довольно велика, однако с ростом частоты длительность импульса (от нескольких сотен пикосекунд до наносекунды) оказывается сравнима с периодом тактового сигнала, и на больших тактовых частотах интенсивность значащих сбоев в комбинационной логике может быть даже выше интенсивности сбоев в запоминающих элементах (кстати, в стоящих на выходах комбинационных схем триггерах тоже могут быть сбои).

Эффективный диаметр области сбора заряда от попадания ТЗЧ – порядка двух микрон, что существенно больше размеров логических элементов в современных технологиях. Поэтому от попадания одной частицы могут сбиться одновременно несколько элементов, например ячеек кэш-памяти. В технологии 65 нм «несколько» могут быть десятью, что создает существенные сложности в применении помехоустойчивых кодов и заставляет серьезно модифицировать топологию элементов микросхемы.

При попадании ТЗЧ в транзистор может возникнуть не только однократный сбой, но и условно-жесткий отказ, вызванный тиристорным эффектом («защелка» или latchup на профессиональном жаргоне). На рисунке показано сечение инвертора, выполненного по объемной КМОП технологии, и показаны паразитные элементы, сформированные слоями микросхемы.

Рисунок 5. Сечение КМОП инвертора с показанными паразитными структурами, участвующими в тиристорном эффекте.

Видно, что два биполярных транзистора образуют pnpn-структуру (исток-карман-подложка-исток), известную под названием тиристор. ВАХ тиристора показана на рисунке и характерна тем, что имеет нелинейность, то есть при достижении некоего прямого смещения на структуре ее сопротивление резко падает, а ток, соответственно, растет.

Рисунок 6. Вольт-амперная характеристика тиристора.

При попадании ТЗЧ индуцированный импульс тока может привести к открыванию биполярных транзисторов и попаданию паразитной тиристорной структуры в низкоомное состояние. Результатом будет формирование короткого замыкания между землей и питанием, потеря работоспособности пораженного элемента и резкий рост тока потребления, способный привести к «выгоранию» пораженного элемента и функциональному отказу. Тиристорный эффект относят к условно-жестким, потому что его воздействие можно остановить при помощи сброса питания с пораженной микросхемы. Эта мера, однако, весьма неудобна и, при большом количестве отказов, неприменима; тиристорный эффект является одной из основных головных болей разработчиков радиоэлектронной аппаратуры для космоса, особенно если они по каким-то причинам используют коммерческие микросхемы вместо специально разработанных.

Как бороться с тиристорным эффектом? Можно разнести транзисторы дальше друг от друга, таким образом увеличив длину базы транзистора Q2, но этот вариант нежелателен из-за снижения плотности упаковки кристалла. Можно увеличить уровни легирования подложки и кармана, снизив подвижность носителей заряда – но это снизит скорость работы и основных транзисторов тоже.

Самый удобный вариант – минимизировать базовые сопротивления паразитных транзисторов (Rs и Rw). Чем меньше сопротивление, тем меньше открывается эмиттерный pn-переход при протекании тока, и тем меньше вероятность включения биполярного умножения заряда. Технологически уменьшение базовых сопротивлений означает обеспечение хороших контактов к подложке и карману или создание транзисторов в выращенном поверх высоколегированной подложки низколегированном эпитаксиальном слое.

Наиболее надежный способ минимизации сопротивления контактов к карману и подложке в традиционной КМОП технологии – окружение транзистора кольцевым контактом (так называемые «охранные кольца» или guard rings). В зависимости от технологии и строгости требований охранных колец может быть от одного до четырех (например, в схемах ввода-вывода, где из-за протекания больших рабочих токов тиристорный эффект возможен и по не связанным с радиацией причинам, в том числе из-за электростатического пробоя). Очевидным недостатком охранных колец является серьезный рост площади элементов (до нескольких раз), то есть даже без учета других методов повышения радиационной стойкости на кристалл поместится намного меньше транзисторов, чем на аналогичный нерадиационностойкий.

Еще один вариант защиты от тиристорного эффекта – полная электрическая изоляция каждого транзистора в схеме, реализуемая в технологии «кремний на изоляторе» (КНИ, по-английски Silicon on Insulator или SOI). Исторически важной разновидностью КНИ является кремний на сапфире (КНС, SOS), в котором отдельные кремниевые островки выращиваются на поверхности монокристалла сапфира, но при переходе к малым проектным нормам от него почти повсеместно отказались по технологическим причинам, и сейчас под кремнием на изоляторе практически всегда подразумевается кремний на SiO₂. Существуют разные технологии создания таких пластин, но все они сводятся к тому, что на кремниевой подложке формируется относительно толстый слой SiO₂ (называемый скрытым или захороненным оксидом или buried oxide), а поверх него – сплошной слой кремния, в котором и изготавливаются транзисторы, разделяемые обычной боковой изоляцией, доходящей до скрытого оксида. Сравнение сечений МОП-транзисторов, выполненных на объемной и КНИ технологии, показано на рисунке NUM. Там же показаны pn-переходы, вблизи которых происходит разделение электронно-дырочных пар.

Рисунок 7. Сечение МОП-транзисторов, выполненных на объемной и КНИ технологии. Показана генерация заряда при попадании тяжелой заряженной частицы.

Полное отсутствие в КНИ тиристорного эффекта привело к тому, что даже в среде специалистов-разработчиков аппаратуры до сих пор распространено убеждение «КНИ равно радиационная стойкость», но на самом деле это не так. Имея неоспоримое преимущество в стойкости к одному эффекту (и то выражающееся главным образом в экономии площади на охранных кольцах), КНИ может иметь существенно меньшую стойкость как к полной поглощенной дозе, так и к одиночным сбоям.

Электрическая изоляция транзисторов позволяет полностью избавиться от межтранзисторных утечек, но утечка по боковым граням никуда не девается и, более того, наличие скрытого оксида приводит к возникновению еще двух переходных зон между оксидами – и на границе самого скрытого оксида тоже может образоваться паразитный канал. Тем не менее, дозовая стойкость КНИ схем сравнима с аналогичными объемными, и большинство методов ее повышения в объемной технологии применима и к КНИ.

Рисунок 8. Сравнение мест возникновения токов утечки в объемном и КНИ МОП транзисторах.

С точки зрения одиночных эффектов КНИ технология имеет важное преимущество перед объемной: область, из которой происходит диффузионный сбор заряда, ограничена скрытым оксидом и приблизительно на порядок меньше, чем в аналогичной объемной технологии – то есть и сечение сбоев в области насыщения будет на порядок меньше (а также намного короче задний фронт импульса). К сожалению, в коммерческих КНИ схемах это достоинство полностью перечеркивается тем, что пороговая ЛПЭ сбоя так мала, что интенсивность сбоев оказывается у КНИ выше – за счет большого количества частиц с малыми ЛПЭ, которые не сбивают транзисторы объемной технологии, но сбивают КНИ транзисторы. Причина этого – паразитный биполярный эффект. Вы могли заметить из рисунков, что, если потенциал подзатворной области объемных транзисторов совпадает с потенциалом подложки или кармана, то потенциал подзатворной области КНИ МОП транзистора ничем не контролируется. При попадании ТЗЧ в подзатворную область в ней может накапливаться заряд, достаточный для существенного повышения потенциала. Подзатворная область, ограниченная сверху, снизу и с боков диэлектриком, а с оставшихся двух сторон – pn-переходами, в этой ситуации играет роль емкости, заряжаемой индуцированным ТЗЧ током. Повышение потенциала подзатворной области приводит к открыванию истокового pn-перехода. Дальше в МОП-транзисторе включается паразитный биполярный транзистор, который усиливает индуцированный ТЗЧ импульс тока в соответствующее число раз (коэффициент усиления подобных паразитных структур может быть от нескольких единиц до приблизительно десятки). Биполярное умножение приводит к тому, что критический заряд сбоя элемента снижается в несколько раз, и с ним – пороговая ЛПЭ сбоя, что делает КНИ КМОП схемы гораздо менее сбоеустойчивыми, чем аналогичные объемные.

Можно ли избавиться от паразитного биполярного эффекта? Конечно, нужно только сделать так, чтобы потенциал подзатворной области находился под контролем. Варианта два – сделать слой кремния достаточно тонким для того, чтобы он весь стал каналом транзистора (это называется полностью обедненный КНИ или full depleted SOI), или создать контакты к подзатворной области. Контакты бывают двух типов: независимые и привязывающие потенциал подзатворной области к потенциалу истока.

Рисунок 9. Разновидности контактов к подзатворной области КНИ МОП транзистора. Зеленым показано n-легирование, красным – p-легирование.

Главное достоинство контакта, связывающего подзатворную область с истоком – компактность, главный недостаток – невозможность использования для некоторых включений (например, в проходном ключе). Независимые контакты могут быть использованы где угодно, но их площадь сравнима с площадью самого транзистора, поэтому их ставят только там, где это действительно необходимо. Кроме того, контакты обоих типов обладают еще одним полезным свойством – они перекрывают места образования паразитных каналов и позволяют, таким образом, повысить стойкость микросхемы к полной поглощенной дозе.

Показанные выше приемы позволяют обеспечить КНИ технологии сравнимые показатели стойкости к полной дозе и меньшее на порядок сечение насыщения одиночных сбоев, но пороговые ЛПЭ сбоя при этом все еще достаточно малы для того, чтобы микросхема, оказавшаяся на орбите, сбивалась часто. Уменьшить частоту одиночных сбоев можно при помощи схемотехнических и системотехнических методов, но это тема для отдельной статьи (или сотни диссертаций).

Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик

Для управления электрическими схемами необходимы мощные элементы коммутации. Эти элементы должны отключать участки схем, включать их, производить переключения. Часто в качестве коммутационных устройств используют тиристоры.

Для чего нужен тиристор, его устройство и принцип работы

Тиристором называется полупроводниковый прибор, имеющий два состояния:

• открытое (пропускает ток в одном направлении);
• закрытое (не пропускает ток).

Состоит этот полупроводниковый прибор из 4 слоев (областей) полупроводника (в большинстве случаев – кремния) с различной проводимостью и имеет структуру p-n-p-n.

Такой тиристор называется динистором (диодный тиристор). Подобно диоду он имеет два вывода и отпирается напряжением определенного уровня, приложенным в прямом направлении к аноду и катоду.

Более распространен триодный тиристор – тринистор. Он имеет ту же структуру, но с дополнительным выводом – управляющим электродом (УЭ). Все операции с тринистором производятся посредством УЭ.

Также существуют тиристоры с двумя управляющими электродами, но они получили меньшее распространение.

Вольт-амперная характеристика

Принцип действия тиристора наглядно демонстрирует его ВАХ. Она, как и характеристика обычного диода, расположена в I и III квадрантах и состоит из положительной и отрицательной ветвей. Отрицательная ветвь также подобна диодной и содержит участок, при котором прибор заперт — от нуля до U_пробоя. При достижении порогового напряжения происходит лавинный пробой.

Положительная ветвь требует внимательного рассмотрения. Если приложить к тиристору прямое напряжение и начать его увеличивать, то ток будет расти медленно – сопротивление закрытого полупроводникового прибора высоко. Это красный участок графика. При достижении определенного уровня тиристор скачкообразно открывается, его сопротивление уменьшается, падение напряжения также уменьшается, ток растет – синий участок. Этот участок характеризуются отрицательным сопротивлением, но прибор ведет себя здесь неустойчиво, с выраженной тенденцией перехода в открытое состояние.

Далее тиристор выходит в режим обычного диода – зеленая ветвь графика. Так работает диодный тиристор, а способность открываться при достижении определенного уровня называется динисторным эффектом.

Этот свойство также присуще трехэлектродному тиристору, но он используется в таком режиме крайне редко. Более того, при разработке схем этой зоны ВАХ избегают. У тринистора есть управляющий электрод, и включение практически всегда производится с его помощью. Если подать на УЭ ток, то тиристор откроется раньше достижения порогового напряжения (красный пунктир на ВАХ). Чем больше ток, тем раньше отпирание. Если ток достигнет определенного уровня (Iуэ>0), то тиристор откроется при любом напряжении анод-катод и будет вести себя подобно обычному диоду, пока не создадутся условия для выключения.

Важно! Включить тринистор подачей тока на УЭ возможно только при приложенном прямом напряжении между катодом и анодом.

Выключить тиристор (диодный или триодный) сложнее. Для этого требуется, чтобы ток через прибор снизился до определенного уровня (почти до нуля). В цепях переменного тока тиристор может быть переведен в закрытое состояние после снятия управляющего воздействия естественным путем – при ближайшем переходе напряжения через ноль. На самом деле, запирание происходит раньше — когда при снижении напряжения ток снизится до порогового значения. Это зависит от величины нагрузки. В цепях постоянного тока приходится принимать более сложные решения. Например, запирать тиристор можно с помощью конденсатора, заряженного напряжением обратной полярности. При включении коммутационного устройства, он разряжается навстречу прямому току и компенсирует его до нуля.

Также существуют другие способы создания встречного тока, но их устройство еще сложнее. Например, использование колебательных контуров и т.п. Все это усложняет использование тринисторов и динисторов, поэтому относительно недавно были созданы управляемые тиристоры (их также называют двухоперационными). Их отличие в том, что отпирание и запирание осуществляется посредством воздействия на управляющий электрод. Это резко расширяет возможности применения данных полупроводниковых приборов.

Основные характеристики тиристоров

Так как тиристоры в открытом состоянии ведут себя подобно диодам, часть технических характеристик аналогична обычным приборам с p-n переходом:

• максимально допустимый ток;
• наибольшее прямое напряжение;
• наибольшее обратное напряжение;
• прямое падение напряжения;
• максимальная рассеиваемая мощность.

Но имеются и специфические параметры:

• время включения;
• время выключения;
• отпирающий ток управляющего электрода;
• напряжение включения;
• минимальный ток удержания;
• наибольшее допустимое нарастание тока в открытом состоянии;
• наибольшее допустимое нарастание напряжения в открытом состоянии.

Превышение двух последних параметром могут вызвать ложные срабатывания приборов. Также для тиристоров характерны и другие параметры, определяющие, например, частотные свойства устройства. Найти их можно в соответствующих справочниках.

Виды тиристоров, их отличия и схемы подключения

На основе двух рассмотренных типов производятся ещё несколько разновидностей тиристоров. Каждый из них имеет свою сферу использования.

Динисторы

Динистор включается в схему подобно обычному диоду последовательно с нагрузкой. Питание может быть постоянным или переменным.

В цепи переменного напряжения также работают симметричные динисторы (двунаправленные динисторы, диаки), представляющие собой два обычных прибора, включенных встречно. Они открываются от любой полуволны синусоидального напряжения. Вольт-амперная характеристика диака симметрична – обратная ветвь также расположена в III квадранте и зеркально повторяет прямую.

Тринисторы

Самый распространенный тип в данной категории полупроводниковых приборов. В профессиональной среде триодные тиристоры называют просто тиристорами, хотя принципиально это неверно. Включается в схему тринистор также подобно обычному диоду (в цепь постоянного или переменного напряжения). Отпирание происходит при подаче на УЭ положительного напряжения (совпадающего по знаку с напряжением анода при прямом включении). У двухоперационных приборов запирание осуществляется подачей на УЭ тока противоположного направления.

Симисторы

Наряду с симметричными динисторами, существуют и симметричные тринисторы (симисторы, триаки). Они представляют собой два тринистора с общим управлением, включенные встречно-параллельно и размещенные в одном корпусе. При необходимости триак можно заменить двумя отдельными приборами, подключив их по соответствующей схеме.

ВАХ симистора также симметрична относительно нуля.

Оптотиристоры

Существуют приборы, схожие по строению и принципу действия с обычными тиристорами, но отпирание которых происходит посредством света, падающего на открытую тиристорную структуру. Если в одном корпусе объединить такой ключ и светодиод, управляемый внешним источником сигнала, то получится устройство, называемое оптотиристором (тиристорным оптроном).

Оптотиристор имеет четыре вывода. Его силовой элемент включается последовательно с нагрузкой, на выводы светодиода подается управляющий сигнал.

Где применяются тиристоры

Каждый полупроводниковый прибор предназначен для решения определенных задач:

1. Сфера применения динисторов невелика. Они используются в качестве формирователей импульсов для отпирания тринисторов посредством УЭ и в составе пускорегулирующей арматуры для люминесцентных ламп. Также этот прибор применяется в любительских разработках в схемах с нестандартным применением.
2. Триодные тиристоры широко применяются в качестве электронных ключей для коммутации нагрузок, в схемах фазового регулирования напряжения. Раньше были широко распространены в инверторах (для преобразования постоянного напряжения в переменное), в частотных преобразователях (для регулировки частоты вращения асинхронных электродвигателей) и в схемах плавного пуска. Сейчас активно вытесняются из этой сферы мощными полевыми и IGBT-транзисторами.
3. Симисторы применяются в качестве коммутационных элементов в цепях переменного тока. Ими удобно заменять обычные механические реле:

• нет механических контактов;
• повышенный ресурс;
• уменьшенные габариты;
• невысокая цена.

К минусам такого применения можно отнести проблему с высоким выделением тепла под нагрузкой.

1. Оптотиристоры используются в качестве коммутационных ключей в цепях переменного или постоянного тока в схемах, где нужна гальваническая развязка между управляющим сигналом и силовой цепью.

Тиристоры помогают решить задачи бесконтактной коммутации нагрузок или участков схем. Успех принесет умелое использование преимуществ электронных приборов и обход имеющихся недостатков.

Что такое симистор и как с его помощью управлять нагрузкой

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Описание, устройство и принцип работы полевого транзистора

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Что такое оптрон, как работает, основные характеристики и где применяется