Александр Кораблев
В кратком обзоре приведены основные сведения о динисторе и принципах его работы, а также представлены примеры практических схем использования динисторов.
Введение
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 UВКЛ.
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 UВКЛ, 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 IУД, 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 UВКЛ, 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 UВКЛ 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.