Динисторы – принцип работы, как проверить, технические характеристики

Динистор – неуправляемая разновидность тиристоров, иначе он называется триггер-диодом. Изготавливается из полупроводникового монокристалла, имеющего несколько p-n переходов. Обладает двумя устойчивыми состояниями: открытым и закрытым. Подходят для применения в цепях непрерывного действия, в которых наибольшее значение тока составляет 2 А, а также в импульсных режимах, при условии, что максимальный ток – 10А, а напряжения находятся в диапазоне 10-200 В. Этот элемент обычно выполняет функции электронного ключа. Его открытое положение соответствует высокой проводимости, закрытое – низкой. Переход из открытого в закрытое состояние происходит практически мгновенно.

Как графически обозначается динистор на схеме

Четкого стандарта, регламентирующего изображение этого элемента на схеме, не существует. Самый распространенный вариант – изображение диода + дополнительная перпендикулярная черта. На зарубежных описаниях этот элемент может обозначаться словами trigger diode, буквами VD, VS, V, D.

Условное графическое изображение симметричных динисторов имеет несколько вариантов.

Маркировка, наносимая на корпус динистора, состоит из букв и цифр. Наиболее популярны устройства российского производства КН102 (А…И). Первая буква в обозначении характеризует материал, из которого изготовлено устройство. К – кремний. Число из трех цифр обозначает номер разработки. Буквы, стоящие в конце маркировки, являются буквенными кодами напряжения включения.

Таблица наиболее популярных марок динисторов

Особенности устройства полупроводникового неуправляемого тиристора

Структура динистора четырехслойная с тремя p-n-переходами. Эмиттерные переходы прямого направления – p-n1 и p-n3, переход p-n2 – коллекторный, обратной направленности, обладает высоким сопротивлением. Выводы:

• анод – выводится из p-области;
• катод – выводится из n-области.

Отличие динистора от диода – количество p-n-переходов (у диода один p-n-переход), от обычного тиристора – отсутствие третьего, управляющего, входа.

Основные плюсы trigger diode:

• обеспечение несущественной потери мощности;
• возможность эксплуатации в широком температурном интервале – -40…+125°C;
• возможность получения высокого выходного напряжения.

Минус – отсутствие возможности управлять работой этого устройства.

Виды динисторов

В зависимости от конструктивных особенностей различают следующие виды этих устройств:

• Однополярные. Функционируют только при положительном смещении. Если уровень максимально допустимого обратного напряжения будет превышен, элемент сгорит.
• Симметричные. Имеют равнозначные выводы, могут работать при прямом и обратном смещениях. В современной электронике широко применяются реверсивно-включаемые мощные динисторы (РВД). Эти элементы с реверсивно-импульсивными свойствами способны осуществить коммутацию токов до 500 кА в микросекундном или субмиллисекундном диапазонах. Они используются для коммутации импульсных токов в твердотельных ключах в схемах электропитания силовых агрегатов.

Основные характеристики динисторов

При выборе подходящего динистора учитывают следующие параметры:

• Разность потенциалов в открытом состоянии, измеряется в вольтах. Указывается применительно к величине тока открытия.
• Наименьшая величина тока в открытом состоянии, единица измерения – миллиамперы. Эта характеристика зависит от температуры устройства. С ее повышением значение минимального тока уменьшается.
• Время переключения – временной промежуток, составляющий микросекунды, в течение которого триггер-диод переходит из одного устойчивого состояния в другое.
• Ток запертого состояния. Зависит от значения обратного напряжения. В общем случае его величина не превышает 500 мкА.
• Емкость. Измеряется в пикофарадах, характеризует общую паразитную емкость устройства. Если этот показатель высокий, то элемент в высокочастотных цепях не используется.

Схема работы динистора

Основной принцип работы динистора: пропускание тока начинается при достижении определенного значения напряжения, которое является постоянным и не может быть изменено, поскольку триггер-диоды является неуправляемым.

Наглядное представление о том, как работает динистор, дает вольтамперная характеристика (ВАХ). На ВАХ симметричного элемента видно, что он будет функционировать при любом направлении прикладываемого напряжении. Верхняя и нижняя ветви центрально симметричны. Такую деталь можно включать в схему без учета полярности.

На графике изображены 3 возможных рабочих режима:

• Красный участок – закрытое состояние, при котором значение текущего напряжения ниже напряжения включения. Ток через триггер-диод не проходит.
• Синий – характеризует момент включения, когда напряжение на выводах достигает напряжения включения и элемент включается.
• Зеленый – открытое состояние, при котором характеристики элемента стабилизированы. В характеристиках на триггер-диод указывается наибольшее значение тока, который может через него протекать.

Несимметричные dinistor можно включать в схему только с соблюдением полярности. При обратном подсоединении элемент будет закрыт при напряжениях, не превышающих допустимое значение, при их превышении деталь сгорит.

По схеме функционирования триггер-диод похож на классический диод, но есть существенное отличие. Если напряжение открытия для диода очень мало и составляет десятки и сотни милливольт, то для динистора напряжение включения составляет несколько десятков вольт. Для закрытия устройства ток, проходящий через него, необходимо понизить до значения, которое меньше величины тока удержания, или разомкнуть цепь электропитания.

Области применения динисторов

Рабочие характеристики этого элемента позволяют его использовать в следующих в следующих схемах:

• Тиристорный регулятор мощности и импульсного генератора. Динистор в схеме нужен для генерации импульса, открывающего тиристор.
• Высокочастотный преобразователь, применяемый для питания люминесцентных ламп. Для этой цели используются симметричные устройства. Монтаж может быть обычным или поверхностным.
• Схемы управления плавного пуска двигателей.

Как проверить работоспособность динистора

Этот элемент выходит строя очень редко. С использованием мультиметра динистор из-за его технических особенностей проверить невозможно, поэтому для проведения детальной проверки собирают несложную тестовую схему.

В проверочную схему входят:

Для сборки этой схемы понадобятся: резистор сопротивлением 10 кОм, светодиод для светоиндикации, проверяемый элемент, лабораторный источник питания с возможностью регулировать постоянное напряжение в интервале 30-40 В. Если имеются только маломощные ИП c регулировкой, то их включают в цепь последовательным соединением.

• Задают исходное напряжение 30 В, которое медленно повышают до загорания светодиода, означающего открытие элемента.
• Отмечают напряжение, при котором загорелся светодиодный индикатор, и вычитают разность потенциалов, расходуемую на светодиод.
• По справочнику проверяют нормативный интервал напряжений включений для проверяемого динистора. Если полученное в результате тестирования значение входит в этот диапазон, значит, устройство полностью исправно.

При включении однонаправленного динистора в тестовую схему необходимо соблюдать полярность.

Динисторы: принцип действия и применение

История создания динистора тесно переплетена с созданием тиристора. В этом нет ничего удивительного: эти электронные приборы имеют практически одинаковую структуру, которая появилась на свет в 1956 г. в известной лаборатории Белла (Bell Telephone Laboratories). Авторство в создании динистора приписывают Уильяму Шокли (William Bradford Shockley), поэтому динистор иногда называют диодом Шокли.

Некоторые исследователи полагают, что к разработке динистора приложил руку и создатель тиристора Фрэнк Уильям (Билл) Гутцвиллер (Frank William (Bill) Gutzwiller). В англоязычной технической литературе динистор обычно называют Diac — это сокращение термина Diode AC (диод для переменного тока).

При описании принципа работы динистора мы не будем вдаваться в подробности и углубляться в теорию p–n–перехода. Про эту теорию мы уже кратко рассказывали в статье « Биполярные транзисторы. Принцип работы и применение » .

Принцип работы динистора

Рис. 1. Структура и схема включения динистора

Динистор представляет собой четырехслойный полупроводник типа p–n–p–n. Его структура и схема включения приведены на рис. 1 . Как видно из рисунка, два p–n–перехода П1 и П3 смещены в прямом направлении, внешнее электрическое поле уменьшает величину их потенциального барьера. Переход П2 смещен в обратном направлении, внешнее поле увеличивает высоту его потенциального барьера.

Рис. 2. Преобразование структуры динистора

Структуру динистора можно преобразовать и привести к виду, показанному на рис. 2 , где ЭП обозначает эмиттерный p–n–переход, а КП — коллекторный p–n–переход. В этом случае эквивалентную схему динистора можно представить как соединение двух транзисторов — p–n–p–типа и n–p–n–типа ( рис. 3 ). Такая схема удобна для анализа, но следует учесть, что, в отличие от обычных дискретных транзисторов, транзисторы эквивалентной схемы (рис. 3) имеют не тонкую, а широкую базу. Поэтому в динисторе при том же электрическом поле, как и в обычном транзисторе, основные носители, преодолев смещенные в прямом направлении эмиттерные переходы, теряют энергию в широкой базе и не могут преодолеть коллекторный p–n–переход, смещенный в обратном направлении.

Рис. 3. Эквивалентная схема динистора, состоящая из двух транзисторов

Таким образом, в слое n1 (база транзистора p–n–p–типа) образуется избыточная концентрация дырок, переместившихся из слоя p1 (эмиттера транзистора p–n–p–типа), а в соседнем слое p2 (база транзистора n–p–n–типа) — избыточная концентрация электронов, переместившихся из слоя n2 (эмиттера транзистора n–p–n–типа). При увеличении приложенного к динистору напряжения возрастает и напряженность поля внутри него, следовательно, увеличивается поток основных носителей дырок из слоя p1 в слой n1 и электронов из слоя n2 в слой p2.

Наконец, по мере накопления разнополярных носителей заряда в соседних слоях p–n–переход между этими слоями разрушается и динистор начинает проводить ток. Напряжение, при котором динистор начинает проводить ток, называется напряжением включения U _ВКЛ .

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика динистора

Сказанное выше иллюстрирует вольт-амперная характеристика динистора, показанная на рис. 4 . На участке 1, пока приложенное к динистору напряжение не достигло пороговой величины U _ВКЛ , динистор выключен, через него может протекать небольшой ток утечки, не превышающий несколько микроампер. При внешнем напряжении, равном пороговому, на участке 2 происходит включение динистора. На участке 3 динистор включен и через него протекает ток. При уменьшении тока ниже порогового значения, называемого током удержания I _УД , концентрация основных носителей заряда в динисторе уменьшается и он выключается.

В настоящее время существуют симметричные и несимметричные динисторы. Симметричные динисторы способны проводить ток в обоих направлениях, их вольт-амперная характеристика одинакова в I и III квадрантах. Несимметричные динисторы проводят ток только в одном направлении, их вольт-амперная характеристика в III квадранте схожа с обратной характеристикой диода.

Примеры использования динистора

Рис. 5. Простейший генератор пилообразного напряжения

Динистор чаще всего используется в качестве переключателя, порогового элемента. На рис. 5 показана простейшая схема генератора пилообразного напряжения. Пока динистор DB3 выключен заряжается конденсатор С1, как только он зарядится до порогового напряжения U _ВКЛ , в данном случае 15 В, динистор откроется и конденсатор разрядится. Емкость конденсатора С1 должна быть невелика, иначе увеличится время его разряда, что может привести к перегреву динистора и выходу его из строя. Обратите внимание на то, что выходной ток источника питания ограничен резистором с сопротивлением 100 кОм и не превышает 0,7 мА, что заведомо меньше тока удержания динистора.

Рис. 6. Использование динистора в простом источнике питания

На рис. 6 показана схема простого источника питания. При достижении порогового напряжения U _ВКЛ включается динистор VS1 и шунтирует выпрямительный мост VD1, тем самым ограничивая напряжение заряда конденсатора С2, которое и является выходным напряжением источника питания. Как нетрудно догадаться, выходное напряжение такого источника питания не зависит от колебания напряжения сети.

Рис. 7. Использование динистора для коммутации управляющего электрода тиристора

Нередко динистор используется совместно с тиристором для коммутации управляющего электрода тиристора, как показано на рис. 7 . Момент срабатывания динистора, а значит, отпирания тиристора, регулируется потенциометром R1. Таким образом регулируется напряжение на нагрузке, которое зависит от фазы отпирания тиристора.

Принцип работы динистора. Характеристики и маркировка динисторов

Динистор – удивительный полупроводниковый прибор, способный в корне изменить работу электрической схемы. За счет своей нелинейной вольт-амперной характеристики он выполняет функции электронного ключа и позволяет создавать разнообразные генераторы, стабилизаторы напряжения и другие полезные устройства. Давайте разберемся в принципах работы этого уникального прибора и рассмотрим его характеристики и маркировку.

1. Структура и состав динистора

Динистор представляет собой четырехслойный полупроводник типа p-n-p-n. Его структура схожа со структурой тиристора, но в отличие от последнего динистор не имеет управляющего электрода.

Отличие динистора от диода – количество p-n-переходов (у диода один p-n-переход), от обычного тиристора – отсутствие третьего, управляющего, входа.

Существуют симметричные и несимметричные динисторы. Симметричные динисторы способны проводить ток в обоих направлениях, их вольт-амперная характеристика одинакова при прямом и обратном включении. Несимметричные динисторы проводят ток только в одном направлении.

2. Принцип работы динистора

Рассмотрим принцип работы динистора исходя из его внутренней структуры. Как упоминалось выше, в нем имеются два внешних эмиттерных p-n перехода П1 и П3, смещенных в прямом направлении, и внутренний коллекторный p-n переход П2, смещенный в обратном направлении.

При увеличении внешнего напряжения усиливается инжекция неосновных носителей заряда в базовые области динистора. Наконец, при напряжении, равном пороговому значению или напряжению включения Увкл, внутренний барьерный слой разрушается и динистор начинает проводить ток.

На приведенной характеристике видно, что при напряжении ниже порогового динистор закрыт и через него протекает лишь небольшой ток утечки. После превышения Увкл динистор резко открывается. Для выключения динистора ток нужно уменьшить ниже значения тока удержания.

3. Области применения динисторов

Благодаря своей нелинейной характеристике динистор чаще всего применяют в качестве электронного ключа или порогового элемента в различных схемах.

• Генераторы релаксационных колебаний
• Простые генераторы пилообразного напряжения
• Стабилизаторы напряжения
• Устройства задержки срабатывания
• Реверсивно-импульсные ключи большой мощности

Рассмотрим пример простейшего генератора на симметричном динисторе:

Здесь динистор DB3 выполняет функцию электронного ключа, периодически замыкая и размыкая RC-цепочку. При достижении порогового напряжения 15 В динистор открывается и конденсатор С1 разряжается. За счет этого на выходе схемы формируются пилообразные колебания.

4. Маркировка и параметры динисторов

Рассмотрим основные принципы маркировки динисторов.

Маркировка отечественных динисторов, например серии КН102, обычно содержит:

• букву, обозначающую материал корпуса (К – кремний)
• цифры – номер разработки
• буквы – код напряжения включения

Зарубежные динисторы могут обозначаться как:

Основные параметры динистора:

• Напряжение включения Увкл
• Ток удержания
• Максимально допустимый ток
• Максимально допустимое напряжение

5. Как проверить динистор

Из-за особенностей характеристики стандартным мультиметром проверить динистор невозможно. Для тестирования используют специальную схему:

Она включает в себя резистор, источник регулируемого напряжения и светодиод. Порядок проверки следующий:

1. Собрать схему
2. Плавно увеличивать напряжение от источника питания
3. Зафиксировать напряжение включения динистора по загоранию светодиода
4. Сравнить с паспортными данными

При этом для несимметричных динисторов критически важно соблюдать полярность подключения.

6. Популярные модели динисторов

Среди широкого разнообразия динисторов можно выделить несколько наиболее популярных серий.

Отечественные динисторы серии КН102 выпускаются в пластмассовых или металлостеклянных корпусах на ток до 2 А. Они могут использоваться как в импульсных, так и в цепях непрерывного тока. Достоинствами являются низкая стоимость и достаточные технические характеристики для большинства применений.

Динистор DB3 – популярная зарубежная модель, часто используемая в простых генераторах и схемах задержки. Отличается компактным пластмассовым корпусом и рассчитан на ток до 400 мА.

7. Принципы выбора динистора под задачу

При подборе динистора для конкретного применения следует учитывать:

• Требуемый максимальный ток в схеме
• Амплитуда импульсов напряжения (для импульсных схем)
• Температуру окружающей среды

Напряжение включения динистора желательно выбирать с запасом относительно рабочего напряжения схемы. Например, для схемы на 12 В следует выбрать динистор с Увкл порядка 15-20 В.

8. Особенности применения динистора с тиристором

Интересным является совместное использование динистора для управления мощным тиристором:

Здесь в момент пробоя динистора DB3 тиристор открывается и шунтирует нагрузку R. Динистор выбран так, чтобы его Увкл было ниже максимального напряжения тиристора.

9. Реверсивно-импульсные динисторы

Отдельно стоит упомянуть реверсивно-импульсные динисторы (РВД). Они представляют собой мощные полупроводниковые ключи, способные коммутировать импульсы тока величиной до миллиона ампер!

РВД применяются, к примеру, в установках для импульсной штамповки металлов или в мощных радиопередатчиках.

10. Перспективы применения динисторов

Несмотря на достаточно давнюю историю, разработка и усовершенствование динисторов продолжается. Ученые видят большие перспективы в применении этих полупроводниковых приборов в современной силовой электронике.

Активно ведутся работы по созданию все более мощных и быстродействующих реверсивно-импульсных динисторов на токи в миллионы ампер. Их применение в перспективных установках импульсной обработки металлов позволит значительно повысить эффективность таких технологий.

Преимущества карбида кремния

Многообещающим направлением является изготовление динисторов на основе карбида кремния (SiC) вместо традиционного кремния. Такие динисторы обладают целым рядом преимуществ:

• Более высокая рабочая температура
• Увеличенная теплопроводность
• Повышенная радиационная стойкость

Это позволит улучшить параметры различных силовых электронных схем на их основе.

Новые конструкции динисторов

Кроме совершенствования материала, идет активная разработка и новых конструкций самих динисторов. Например, создаются:

• Встраиваемые динисторы для гибридных микросхем
• Мини-динисторы для SMD-монтажа
• Мощные динисторы на токи в сотни ампер

Такие инновационные решения обеспечат применение динисторов в самых разнообразных устройствах – от мобильных гаджетов до промышленного оборудования.