Схема транзисторного эквивалента тиристора

без ложных срабатываний и повышенной устойчивостью к импульс- ным помехам

Тиристор – это полупроводниковый силовой электронный ключ.
Тиристор имеет три вывода, один из которых управляющий, а два других образуют путь для протекания тока. Под воздействием управляющего сигнала он скачкообразно переводится в проводящее состояние (открывается), замыкая нагрузочную цепь, после чего остаётся открытым и после снятия управляющего сигнала.
Для того чтобы тиристор выключился, необходимо создать специальные условия, а именно - обеспечить падение прямого тока в цепи нагрузки до нулевого значения. Переход в закрытое состояние происходит и тогда, когда напряжение питания на аноде уменьшается до определённого минимума (примерно 0,7 вольта).
В области коммутации мегаваттных мощностей тиристор по-прежнему не имеет конкурентов - ему там самое оно. А вот маломощные тиристоры практически ушли со сцены, уступив место полевым и биполярным транзисторам.

Простейший эквивалент тиристора состоит из двух транзисторов с разными типами проводимостей Рис.1(а) и представляет собой защёлку, переходящую в проводящее состояние при подаче на затвор управляющего тока.
Казалось бы всё хорошо и просто, однако подобным устройствам (да и самим тиристорам, кстати, тоже) присущ весьма неприятный недостаток - включение тиристора (или эквивалента) при возникновении импульсной помехи в цепи нагрузки даже при нулевом токе затвора.

Хорошая статья, посвящённая мерам повышения устойчивости транзисторных эквивалентов к подобным импульсным помехам, была опубликована Словенским инженером Marian-ом Stofka, а с её полным переводом можно ознакомиться на страницах журнала РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2013, или на странице https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=152269.

Не в обиду авторам, приведу основные выдержки из данного материала.

«Тиристор представляет собой четырехслойное полупроводниковое устройство, транзисторный эквивалент которого можно представить схемой, изображенной на Рисунке 1а.


Рис. 1    Упрощенный транзисторный эквивалент тиристора (а).
              Схема с хорошо контролируемыми и вычисляемыми токами затвора и удержания (б).
              Усовершенствованная схема надежно защищает от нежелательного включения при
              скачке анодного напряжения (в).

Устройство остается в выключенном состоянии до тех пор, пока через управляющий электрод 1 (далее называемый «затвор») не будет пропущен положительный импульс тока. После этого четырехслойная структура между анодом и катодом включается, и ток управляющего электрода становится больше не нужным. Для включения тиристора здесь может с равным успехом использоваться и база Q2, однако в монолитных тиристорах обычно используется только один управляющий электрод возле катодной области.

Более реалистичная транзисторная модель, показанная на Рисунке 1б, содержит резисторы между переходами база-эмиттер обоих транзисторов. В результате исключается возможность нежелательного включения токами утечек Q1 и Q2, и ток затвора имеет определенное значение, равное:

Одним из общих ограничений тиристоров является скорость нарастания анодного напряжения, которая, в случае превышения определенного порога, становится причиной включения тиристора даже при нулевом токе затвора. Такое напряжение возникает на стороне коммутируемой индуктивной нагрузки в то время, когда ток анода, стремясь к нулю, падает ниже уровня удержания. При этом накопленная в индуктивности энергия стремится резко поднять напряжение на аноде. Напряжение с большой крутизной нарастания возникает также при коммутации резистивных нагрузок комбинацией из двух (как минимум) тиристоров, соединенных подобно аналоговому мультиплексору, когда включение одного из тиристоров вызывает резкое повышение анодного напряжения на другом тиристоре.

Для схемы на Рисунке 1б критическим значением скорости нарастания коммутируемого напряжения будет:
   (1)

где V_BE0 ≈ 0.7 В – типичное напряжение, при котором открывается кремниевый транзистор,
C_CB01 и C_CB02 – емкости коллектор-база транзисторов Q1 и Q2.

В связи с тем, что емкости этих конденсаторов уменьшаются с ростом напряжения коллектор-эмиттер, в уравнении (1) следует использовать максимальные значения емкостей. Для транзисторов, использованных в схеме на Рисунке 2, емкости можно оценить величиной C_CB01 + C_CB02 < 20 пФ. При R_B1 = R_B2 = 6.8 кОм это дает S_Vcrit ≈ 5 В/мкс, что значительно меньше типичной для монолитных тиристоров скорости, достигающей S_Vcrit ≈ 100 В/мкс. Ситуацию могло бы исправить снижение сопротивлений резисторов R_B1 и R_B2, однако за это пришлось бы заплатить потерей чувствительности затвора. (Изображенная на Рисунке 1б схема может быть сделана настолько чувствительной, что для ее включения будет достаточно тока порядка 100 мкА – одной десятой от тока управления, типичного для маломощных монолитных тиристоров).


Рис.2   После добавления двух керамических конденсаторов емкостью 1 нФ схема перестает
реагировать на скачки ∆V анодного напряжения с уровнями до 10 В.

Однако есть способ, показанный на Рисунке 1в, который позволяет увеличить критическую скорость нарастания напряжения, сохранив низкий отпирающий ток затвора. Если параллельно переходам база-эмиттер NPN и PNP транзисторов включить по конденсатору C, критическую скорость нарастания, теоретически, можно сделать бесконечной. Величина емкости C равна:
   (2)

Для простоты здесь принято, что нарастание анодного напряжения во время скачка на величину ∆V происходит по линейному закону. Практический предел определяется максимально допустимым током базы используемых транзисторов:
   (3)

Допустив, что IBmax = 200 мА, из уравнения (3) мы получим вполне правдоподобное значение S_Vcrit ≈ 100 кВ/мкс.

В результате экспериментов для схемы на Рисунке 2 был выбран PNP транзистор 2N4036, отличающийся самым уверенным и надежным переключением. Его максимальный базовый ток равен 500 мА, а максимальный ток коллектора – 1 А. При скачкообразных изменениях напряжения на аноде изображенного на Рисунке 2 дискретного тиристора (∆V = 9 В за 30 нс, или 300 В/мкс) не произошло ни одного включения.»

Внимательно посмотрев на схему легко заметить, что во включённом состоянии приведённого эквивалента тиристора, ток нагрузки протекает не только через коллекторно-эмиттерную цепь верхнего полупроводника, но и через переход база-эмиттер нижнего, поэтому при выборе транзистора Q1 следует послеживать за таким его параметром, как максимально допустимый ток базы.
И поскольку не каждый производитель нас радует публикацией данного параметра, исходить следует из того, что максимальный ток базы, как правило, находится в диапазоне 0,2-0,5 от значения величины предельного тока коллектора.