Изучение тиристоров можно начать с прибора, называемого динистором, также известного как четырёхслойный диод (со структурой PNPN), или диод Шокли, по имени его изобретателя Уильяма Шокли (не путать с диодом Шотки, двухслойным прибором металл-полупроводник, известным своей высокой скоростью переключения).
Упрощённой иллюстрацией динистора может служить изображение четырёхслойного полупроводникового материала со структурой P-N-P-N (см. рисунок ниже).
Динистор или четырёхслойный диод
В подобном представлении, динистор выглядит как два взаимосвязанных биполярных транзистора: один PNP-типа, а второй NPN-типа. При изображении посредством стандартных символов, и с учётом концентрациий легирующей примеси не показанных не предыдущем рисунке, диодный тиристор выглядит следующим образом (см. рисунок ниже).
Динистор: полупроводниковые слои, эквивалентная схема и условное обозначение
Давайте соединим динистор с источником регулируемого напряжения и посмотрим, что произойдёт: (рисунок ниже)
Эквивалентная схема динистора, на который подано питание
Если отсутствует напряжение, то тока, естественно, тоже не будет. В самом начале периода увеличения напряжение ток всё ещё будет отсутствовать, поскольку ни один из транзисторов не может быть открыт: они оба будут находиться в режиме отсечки. Чтобы понять почему это происходит, необходимо вспомнить, что требуется для включения транзистора: ток на переходе база-эмиттер. Как видно из рисунка, ток базы нижнего транзистора контролируется верхним транзистором, а ток базы верхнего транзистора контролируется нижним транзистором. Другими словами, ни один из транзисторов не будет включён до тех пор пока не включится другой транзистор. То есть мы попадаем в парадоксальную ситуацию, своего рода заколдованный круг.
Как же сделать так, чтобы динистор проводил ток, когда составляющие его транзисторы удерживают друг друга в состоянии отсечки? Ответ на этот вопрос можно найти, если сравнить параметры реальных und идеальных транзисторов. Идеальный биполярный транзистор никогда не будет проводить ток коллектора при отсутствии тока базы, в независимости от величины прикладываемого напряжения между коллектором и эмиттером. В реальных же транзисторах существует определённый предел напряжения коллектор-эмиттер, которое они могут выдерживать, до того как начнут проводить. Если два реальных транзистора соединены в диод Шокли, то каждый из них будет проводить при наличии напряжения между анодом и катодом, достаточного для того, чтобы начал проводить один из транзисторов. Как только он откроется и начнёт проводить, на втором транзисторе появится ток базы, благодаря чему тот включится обычным образом, и будет обеспечивать ток базы на другом транзисторе. В результате оба транзистора будут находиться в состоянии насыщения, и будут удерживать друг друг во включённом состоянии.
Итак, мы можем заставить динистор включаться при наличии достаточного напряжения между анодом и катодом. Как мы убедились, один из транзисторов неизбежно начнёт проводить, что вызовет включение второго транзистора, что приведёт к «защёлкиванию” обоих транзисторов во включённом состоянии. Но как же нам теперь отключить транзисторы, из которых состоит динистор?
Даже если напряжение будет снижено до уровня ниже точки, при которой динистор начинает проводить, он все ещё будет включён, поскольку на обоих транзисторах будет ток базы, обеспечивающий постоянную, управляемую проводимость. Ответ заключается в том, чтобы понизить напряжение до гораздо более низкого уровня, при котором слишком слабый ток не сможет поддерживать смещение, и один из транзистор перейдёт в состояние отсечки, что приведёт к отсутствию тока базы на втором транзисторе.
Если построить график описанных событий и составить зависимость ток/напряжение, то будет очевидным наличие гистерезиса. Сначала понаблюдаем за схемой в тот момент, когда источник постоянного тока (батарея) установлена на ноль вольт (см. рисунок ниже).
Нулевое напряжение; нулевой ток
Затем мы будем постепенно увеличивать напряжение. Ток схемы все ещё почти равен нулю, поскольку ещё не достигнут предел пробоя для обоих транзисторов: (рисунок ниже)
Незначительное напряжние; ток все ещё равен нулю
Когда достигнуто напряжения пробоя одного из транзисторов, он начнёт проводить ток коллектора, даже если на нём ещё отсутствует ток базы. В обычной ситуации это вывело бы биполярный транзистор из строя, однако PNP-переходы динистора способны выдержать подобный ток, подобно тому как стабилитрон способен выдерживать пробой в обратном направлении без разрушения прибора. В иллюстративных целях допустим, что нижний транзистор откроется первым, что создаст ток базы на верхнем транзисторе:(см. рисунок ниже)
Напряжение увеличено; нижний транзистор открывается
Верхний транзистор включится, как только появится ток базы. В связи с этим нижний транзистор начинает проводить обычным способом, и оба транзистора «защёлкиваются ” во включённом состоянии. Теперь в схеме установится полный ток: (см. рисунок ниже)
Теперь транзисторы полностью открыты
Здесь явно присутствует положительная обратная связь. В случае пробоя одного транзистора по всему прибору начинает течь ток. Этот ток можно рассматривать как «выходной» сигнал прибора. Как только установился выходной ток, он будет поддерживать оба транзистора в состоянии насыщения, обеспечивая тем самым значительный выходной ток. Другими словами, выходной ток поступает по цепи обратной связи на вход (ток базы транзистора), благодаря чему оба транзистора находятся во включённом состоянии, то есть динистор регенирирует сам себя.
Когда два транзистора поддерживают друг друга в состоянии насыщения в присутствии значительного тока базы, каждый из них будет проводить даже в том случае, если приложенное напряжение будет понижено ниже уровня пробоя. Эффект положительной обратной связи заключается в поддержании обоих транзисторов в состоянии насыщения, несмотря на отсутствие входого воздействия (изначально, для того чтобы открылся один из транзисторов и появился ток базы второго транзистора требовалось достаточно высокое напряжение, см. рисунок ниже).
Ток схемы сохраняется даже при уменьшении напряжения
Если напряжение от источника постояного тока будет уменьшено до очень низкого уровня, то динистор в конце концов достигнет той точки, когда оба транзистора не смогут поддерживать друг друга в состоянии насыщения. По мере уменьшения тока коллектора, транзистор также уменьшает ток базы второго транзистора, что приводит к уменьшению тока базы первого транзистора. Этот цикл продолжается с высокой скоростью до тех пор, пока оба транзистора не перейдут в состоянии отсечки (см. рисунок ниже):
При сильном падении напряжения оба транзистора будут отключены
Здесь также действует эффект положительной обратной связи: тот факт, что уменьшение тока одного транзистора ведёт к уменьшению тока второго транзистора, что приводит к ещё большему падению тока на первом транзисторе, указывает на наличие положительной обратной связи между выходом (управляемым током) и входом (управляющим током на базе транзисторов).
Итоговая кривая на графике является примером классической кривой гистерезиса: по мере увеличения или уменьшения входного сигнала (напряжения), форма возрастающей части кривой выхода (тока) не совпадает с формой нисходящей части: (см. рисунок ниже)
Кривая гистерезиса
Проще говоря, динистор имеет тенденцию к тому, чтобы оставаться во включённом состоянии — после того как транзисторы начинают проводить — или выключенном — после того как транзисторы переходят в состояние отсечки. То есть у динисторов нет каких-либо «промежуточных состояний»: как и все тиристоры он может быть либо включён, либо отключён.
По отношению к тиристорам применяется несколько специфических терминов. Термин отпирание означает процесс включения тиристора. Для того, чтобы тиристор был «защёлкнут” во включённом состоянии, напряжение должно быть увеличено до уровнянапряжения включения. Включённый динистор может быть переведён в непроводящее состояние посредством сокращения его тока до уровня напряжения выключения.
Стоит отметить, что отпирание динисторов может произойти при высокой скорости изменения напряжения (так называемый параметр dv/dt) ввиду явления внутренней ёмкости. Для защиты тиристора от непреднамеренного включения при больших скоростях изменения напряжения (dv/dt) применяется шунтирующая RC-цепочка, включаемая параллельно динистору. Такие цепочки называются сглаживающими фильтрами: (cм. рисунок ниже)
Последовательно включённая катушка индуктивности, и параллельно включённая «сглаживающая» RC-цепочка позволяют минимизировать влияние высокой скорости изменения напряжения на динистор
