Дано описание нового класса бистабильных элементов – двухпороговых тиристоров, включение/выключение которых из одного состояния в другое происходит при подаче на вход тиристора управляющих напряжений двух уровней («Высокого» или «Низкого»), отличных от нуля.
В 1955 году американские ученые в области физики твердого тела из Bell Telephone Laboratories Джон Луис Молл (John Louis Moll, 1921–2011), Моррис Таненбаум (Morris Tanenbaum, 1928–), Джеймс/Джим М. Голди (James/Jim M. Goldey, 1926–2017) и Ник Холоньяк (Nick Holonyak, Микола Голоняк, 1928–) опубликовали статью, описывающую конструкцию четырехслойного полупроводникового устройства p-n-p-n-тиристора – управляемого кремниевого выпрямителя (Silicon Controlled Rectifier – SCR).
В 1956 году в Bell Telephone Laboratories была создана кремниевая полупроводниковая структура p-n-p-n (SCR), на основе которой Роберт Ноэль Холл/Хелл (Robert Noel Hall, 1919–2016) и Фрэнк Уильям (Билл) Гутцвиллер/Гацвиллер (Frank William (Bill) Gutzwiller, 1926–2011), исследователи электротехнического концерна General Electric, в 1957 году разработали первые управляемые кремниевые выпрямители.
В 1981–1984 годы команда немецких ученых из Мюнхена – Людвиг Лейпольд (Ludwig Leipold), Йенс-Пер Штенгль (Jens-Peer Stengl) и Джено Тиханьи (Jeno Tihanyi) – решила проблему низкого входного сопротивления тиристоров (был создан тиристор, представляющий собой комбинацию MOSFET или полевого транзистора и тиристора).
В 1984 году американский инженер Виктор А.К. Темпл (Victor A.K. Temple) из Harris Corporation предложил вариант мощного интегрированного тиристора MOS (MOSFET) – комбинацию МОП-транзистора и тиристора [1].
Обычные тиристоры имеют по входу один неуправляемый порог переключения. Когда этот порог превышен, тиристоры переключаются в проводящее состояние. Возврат тиристоров в исходное («выключенное») состояние возможен только путем отключения питающего напряжения или замыкания электродов анод-катод тиристора [2–9].
В дополнение к вышесказанному, тиристоры ранних выпусков имели низкое входное сопротивление, высокое падение напряжения на открытом тиристоре, низкое быстродействие и ряд других недостатков.
Для повышения входного сопротивления тиристора (см. выше [1]) было предложено объединить свойства МОП-транзистора и тиристора.
Чтобы включить/выключить тиристор путем подачи внешнего управляющего сигнала на его управляющий электрод, была разработана конструкция тиристора, содержащая во входных цепях пару транзисторов MOS-N и MOS-P – MOS-controlled thyristor (MCT) – тиристор, управляемый напряжением) [1]. Переключение такого тиристора происходит в том случае, если на его вход подается импульс положительной или отрицательной полярности.
Очевидно, что использование управляющих сигналов разной полярности мало приемлемо на практике.
Для реализации функции двухпорогового переключения тиристора он должен иметь электронные элементы, имеющие два разных порога переключения, которые не равны нулю.
Ниже (Рисунки 1–5) приведены варианты схем новых ON/OFF двухпороговых тиристоров, переключаемых из одного состояния в другое при подаче на их входы уровней напряжения: «Низкого – L» и «Высокого – H» (LH) или «Высокого – H» и «Низкого – L» (HL).
На Рисунке 1 показан пример практической реализации двухпорогового бистабильного элемента (LH-тиристора), выполненного на полевых транзисторах VT1–VT3 и тиристоре VS1.
 |
|
| Рисунок 1. | Электрическая схема двухпорогового LH-тиристора. |
В начальный момент времени (когда подается напряжение питания и на входе отсутствует управляющее напряжение) тиристор VS1 находится в непроводящем состоянии. Транзисторы VT1 и VT2 закрыты, транзистор VT3 открыт. Если подать управляющее напряжение на вход LH-тиристора, постепенно увеличивая его (напряжение низкого уровня), то сначала откроется транзистор VT1, обеспечивающий подачу напряжения на управляющий электрод тиристора VS1. Тиристор открывается, тем самым, подключая сопротивление нагрузки к цепи питания.
При дальнейшем увеличении напряжения на входе CE (напряжение высокого уровня), Рисунок 1, транзистор VT2 открывается, шунтируя цепи управления транзисторами VT1 и VT3. Оба этих транзистора закрыты. Соответственно, ток в цепи тиристора VS1 прерывается, отключая этот тиристор и сопротивление нагрузки.
Порог включения тиристора LH (Рисунок 1) находится в диапазоне от 3.9 до 4.8 В. Порог отключения превышает 4.9 В.
Пороги переключения двухпорогового тиристора можно регулировать путем выбора номиналов резисторов R4 и R5.
HL-тиристор (Рисунок 2) также имеет два порога управления. Он содержит дополнительный транзисторный каскад-инвертор (транзистор VT4 и резистор R5). HL-тиристор переходит в проводящее состояние, если на управляющий электрод CE подается напряжение высокого уровня, и выключается, если на этот электрод подается напряжение низкого уровня.
 |
|
| Рисунок 2. | Электрическая схема двухпорогового HL-тиристора. |
Пороговое значение входного напряжения для включения HL-тиристора превышает 3.9 В (Рисунок 2). Порог напряжения отключения находится в диапазоне от 3.2 до 3.8 В.
Двухпороговый бистабильный переключающий элемент (LH-тиристор), выполненный полностью на транзисторах (Рисунок 3), сочетает в себе возможность работы в широком диапазоне питающих напряжений (от 8 до 20 В) с высокой нагрузочной способностью, обеспечиваемой MOSFET VT1 2N7075 или его аналогом.
 |
|
| Рисунок 3. | Электрическая схема двухпорогового LH-тиристора, полностью выполненного на транзисторах, и способ его управления по двухпроводной линии. |
Диапазон рабочих напряжений устройства можно задавать выбором номинала резистора R1, а также типа используемых транзисторов.
Работает устройство следующим образом. Пульт управления, содержащий источник питания, две кнопки управления SB1 и SB2, а также резистор R1, соединен с двухпороговым бистабильным элементом линией связи. При кратковременном нажатии кнопки SB2 (ON) напряжение источника питания пульта управления через резистор R1 подается на вход устройства. Напряжение, поступающее на вход устройства, делится на резистивном делителе R1, R4, R6, поэтому напряжение, подаваемое на затвор полевого транзистора VT3, недостаточно для его открытия. Следовательно, для этого случая полевой транзистор VT3 можно исключить из рассмотрения.
В то же время напряжение, снимаемое с резистивного делителя (напряжение низкого уровня), достаточно для открытия транзисторов VT1 и VT2. Напряжение высокого уровня, снимаемое с резистора R7 через резистор R5, поступает на затвор транзистора VT1. Происходит его «самозащелкивание». Двухпороговый бистабильный элемент остается во включенном состоянии.
Для того чтобы отключить нагрузку, следует кратковременно нажать кнопку SB1 (OFF). В этом случае напряжение на затворе транзистора VT3 превышает порог его переключения (около 2.1 В). Транзистор VT3 открывается и шунтирует затвор транзистора VT1, в связи с чем транзистор VT1 разблокируется и переходит в исходное закрытое состояние. Нагрузка RLOAD отключается от источника питания.
На Рисунке 4 приведены схема и способ управления работой двухпорогового HL-тиристора.
 |
|
| Рисунок 4. | Электрическая схема двухпорогового HL-тиристора, полностью выполненного на транзисторах. |
На основе рассмотренных ранее устройств может быть создан двуханодный MOSFET LH- или HL-тиристор с двухпороговым управлением (Рисунок 5). Такой тиристор имеет четыре контактных вывода: A1, A2, CE и GND [8]. Двуханодный LH- или HL-тиристор с двухпороговым управлением способен работать на две нагрузки, переключая их по очереди. Если нет необходимости во второй нагрузке, вместо нее можно использовать высокоомный резистор.
 |
|
| Рисунок 5. | Двуханодный MOSFET LH-тиристор с двухпороговым управлением. (Рисунок по сравнению с оригиналом статьи изменен автором). |
Практические схемы использования двухпороговых тиристоров показаны на Рисунках 6–8. На Рисунке 6 показаны схемы управления нагрузкой, например, лампой накаливания EL1, с помощью кнопок «ON» и «OFF». Уникальной особенностью этих схем является то, что нагрузку можно включать и выключать по двухпроводной линии с нескольких одинаковых пространственно разнесенных пультов управления.
 |
|
| Рисунок 6. | Примеры управления работой двухпорогового LH-тиристора (слева) и HL-тиристора (справа). |
На Рисунке 7 показана возможность использования двухпороговых LH- и HL-тиристоров в качестве обычных, однопороговых. Кроме того, параллельно управляющему электроду и катоду двухпорогового LH-тиристора может быть подключен стабилитрон, к которому через резистор и кнопку управления подается управляющее напряжение.
 |
|
| Рисунок 7. | Использование двухпорогового LH- или HL-тиристора в качестве классического однопорогового т иристора. |
На основе двухпорогового LH-тиристора могут быть собраны таймеры (Рисунок 8). Уникальной особенностью такого таймера является то, что после замыкания управляющего ключа SB1 нагрузка подключается через определенное время, определяемое скоростью зарядки конденсатора C1 до напряжения первого порога переключения. Нагрузка отключается после того, как напряжение на конденсаторе C1 достигнет второго порога переключения.
 |
|
| Рисунок 8. | Таймер на основе LH-тиристора и динамика электрических процессов, иллюстрирующая его работу. |
На Рисунке 9 показана динамика электрических процессов на входах и выходах двухпорогового LH-тиристора (слева) и HL-тиристора (справа) при подаче линейно возрастающего напряжения на входы CE.
 |
|
| Рисунок 9. | Динамика электрических процессов, когда на входе двухпорогового LH-тиристора (слева) и HL-тиристора (справа) напряжение UВХ линейно возрастает. |
Основные преимущества двухпороговых LH- и HL-тиристоров:
- Высокое входное сопротивление (десятки и сотни кОм).
- Повышенная рабочая частота (десятки кГц).
- Минимальное сопротивление в открытом состоянии (десятые-сотые доли Ом).
- Управляемое включение и выключение тиристора.
- Возможность управления (включение/выключение нагрузки) по двухпроводной линии.
- Возможность создания двуханодного тиристора с двухпороговым управлением.
- Расширенная возможность синтеза новых электронных устройств различного назначения.
Двухпороговые LH- и HL-тиристоры могут использоваться в силовой электронике, в схемах автоматического регулирования, релейных и коммутационных схемах, электрических переключателях, генераторах импульсов, удвоителях частоты и т.д.
Литература
- Шустов М.А. История электричества. – Москва; Берлин: Директ-Медиа. 2019. 567 с.
- Fraidoon Mazda. Power Electronics Handbook, Third edition, Newnes. 1997. 448 p.
- Berde M.S., Thyristor Engineering (Power Electronics), Ninth Edition, New Delhi: Khanna Publishers. 2005. 739 p.
- Rashid M.H., Power Electronics Handbook. 4th edition, Butterworth-Heinemann. 2017. 1510 p.
- Shustov M.A. Push-button thyristor operation. Electronics World. 2001. V. 107. № 4(1780). P. 299.
- Шустов М.А. Аналоги тринисторов с полевыми транзисторами. Радио. 2016. № 12. С. 27.
- Shustov M.A., Shustov A.M. Electronic Circuits for All. – London: Elektor International Media BV. 2017. 397 p.; Elektronika za sve: Priručnik praktične elektronike. – Niš: Agencija EHO. 2017; 2018. 392 St. (Serbia).
- Shustov M.A., Shustov A.M., Giesberts T. Dual-Anode MOSFET Thyristor. ElektorLabs. 2019. V. 45. № 3(495). P. 15–19.
- Shustov M.A. Pseudo-thyristor. Elektor. 2020. Vol. 46. № 6(504). P. 32.
