69020

Багатопереходні структури. Призначення, будова, класифікація та позначення тиристорів

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основу тиристора складає пластинка з монокристалу силіцію з областями p і nтипу які чергуються рис. Анод і катод тиристора мають відводи. Класифікація і позначення тиристорів середньої і малої потужності Крім того відвод у тиристора може бути і від внутрішньої області.

Украинкский

2014-09-28

215.5 KB

8 чел.

11. Багатопереходні структури

11.1 Призначення, будова, класифікація та позначення тиристорів

Окрім н/п приладів, що мають один p-n перехід (діодів) і два таких переходи (біполярних транзисторів) знаходять застосування  н/п прилади з більшою кількістю p-n переходів. До таких приладів відносяться тиристори, або перемикні діоди.

Тиристор має два стійких стани: закрито, коли через нього протікає малий струм, і відкрито – коли струм значний. Це і визначає його застосування, як ключового елемента.

Основу тиристора складає пластинка з монокристалу силіцію з областями p- і n-типу, які чергуються (рис. 11.2), одержаними за дифузійною технологією.

Крайні області пластини є основними електродами: область p-типу – анод (А), область n-типу – катод (К).

Анод і катод тиристора мають відводи. Такий тиристор (з двома відводами) називають динистором або некерованим перемикальним діодом.

Рис.11.1. Класифікація і позначення тиристорів середньої і малої потужності

Крім того, відвод у тиристора може бути і від внутрішньої області. Цей відвод називається електродом управління ЕУ. При наявності відвода від внутрішніх областей, тиристор називається тріодним або тринистором або керуємим перемикальним діодом.

Тиристор, що має чотири p-n переходи, називається симистором або триаком.

Тиристори можуть бути малої потужності (Iпр0,3 А), середньої потужності (0,3 А< Iпр<10 А) і великої потужності (Iпр>10 А).

Класифікація і позначення тиристорів середньої і малої потужності наведено на рис. 11.1.

Тиристори великої потужності називаються силовими і мають в позначенні букви Т – тиристор або ТС – симистор.

Наприклад, позначення ТС-2-25-16 означає: симистор, модель – 2,  Iмакс=25 А, Uмакс=1000 В.

Силові тиристори випускаються на струми до 2 тис. А і напруги до 3 кВ.

11.2 Принцип роботи

Крайні переходи тиристорної структури називаються емітерними ЕП1, ЕП2, середній – колекторний КП,  внутрішні  області  між  переходами – базами, а крайні області – емітерами (рис.11.2 а).

Рис. 11.2. Структура транзистора:

а – якщо UА=0; б – якщо UА<0; в – якщо UА>0

Рис. 11.3. Вольт-амперна характеристика тиристора

З подачею  від’ємної  напруги  на  анод  тиристора  відносно  катода (рис 11.2 б) його колекторний перехід КП зміщується в прямому напрямі, а обидва емітерних переходи ЕП – в зворотньому. ВАХ тиристора (рис. 11.3) в цьому режимі є характеристикою двох послідовно зєднаних електронно-діркових переходів (емітерних), підключених в зворотньому напрямі (ділянка 4). Струм через тиристор буде невеликим: він визначається процесами екстракції і термогенерації неосновних носіїв заряду в цих переходах. При напрузі Uпроб виникає пробій емітерних переходів і струм тиристора різко зростає – тиристор виходить з ладу.

При прямій напрузі UА (“+” – до аноду, “ – “ – до катоду) ширина емітерних переходів зменшується, а колекторного переходу – збільшується (рис. 11.2 в).

Якщо прикладена напруга UА мала, електрони і дірки, потрапивши в результаті інжекції відповідно в p- і n-бази і, ставши неосновними носіями заряду, рекомбінують. В цьому випадку, провідність тиристора буде малою (струм через тиристор – малий).

При збільшенні напруги UА збільшується пряма напруга на ЕП1 і ЕП2, а, відповідно, і інжекція. Кількість носіїв заряду, що поступає в бази з емітерів за одиницю часу виявляється більшою кількості зарядів, які рекомбінують в базах.

В результаті цього дірки з p-емітера через КП (він для них не являється потенційним бар’єром) потрапляють в  p-базу,  а  електрони  з  n-емітера  –  в  n-базу. В n-базі утвороюється нерівноважний заряд електорнів, а в p-базі – заряд дірок. Ці заряди підсилюють інжекцію дірок p-емітера і електронів          n-емітера, що призводить до збільшення незрівноважених позитивних зарядів в    p-базі і негативних – в n-базі і т.д.

Виникає лавиноподібний процес, який призводить до появи прямої напруги на КП за рахунок компенсації позитивного поля анода негативним полем збільшеного заряду n-бази, а також компенсації негативного поля катода позитивним полем збільшеного заряда p-бази. Ці явища відбуваються миттєво (стрибком). Пряма напруга на КП стрибком зменшує опір тиристора, при цьому зменшується падіння напруги на ньому і різко збільшується струм IА.

Анодний струм буде складатися із трьох компонентів:

  •  діркового струму p-емітера – α1IА; α1 – коефіцієнт передачі струму ЕП1 (p-n);
  •  електронного струму n-емітера – α2IА; α2 – коефіцієнт передачі струму ЕП2 (n-p);
  •  зворотнього струму КП – Iзвор=IКБ01+ IКБ02.

Коефіцієнти передачі струму α1 і α2 суттєво залежать від струму емітера (рис. 11.3).

IА= α1 IА+ α2IА+ Iзвор

                                                                                             (1)

Рис. 11.4. Залежність коефіцієнту α від струму IЕ

При малих струмах емітера, що має місце при малих напругах UА

α1+α2«1

IА Iзвор

і тиристор закритий. Струм анода, визначений власним зворотним струмом колекторного перехода – малий.

З підвищенням напруги UАUВМ струм IЕ зростає, що призводить до зростання коефіцієнтів α1 і α2

α1+α21

При цьому різко зростає струм IА, що випливає із формули (1).

Схему підключення динистора наведено на рис. 11.5.

Струм IА буде визначатися опором навантаження і напругою джерела живлення E і може бути знайденою із формули

де Uпадіння напруги на тиристорі.

Рис. 11.5. Схема підключення тиристора

Падіння напруги на відкритому тиристорі мале і складає близько 1 В, тому струм при заданому E буде визначатися опором навантаження

Таким чином, тиристор є ключовим приладом, що має два сталих стани: „відкрито” – ділянка 3, і „закрито” – ділянка 1.

Ця особливість тиристора підкреслена в його назві („тира” – по грецьки „двері”).

Тиристори з керуючим переходом (тринистори) полегшують його вмикання.

Рис. 11.6. Структура триністора і його вольт-амперні характеристики.

За допомогою керуючого електрода шляхом подачі на нього прямої (позитивної відносно катода) напруги в p-базу вводяться незрівноважені дірки. При цьому збільшується інжекція електронів через ЕП2, а отже більша кількість електронів пройде через КП і коефіцієнт передачі α1 зросте і при меншому UА досягнеться співвідношення α1+α2=1, що призводить до вмикання тиристора.

До переваг тиристора відносять:

  •  високий коефіцієнт підсилення за потужністю - 104... 105. Це пов’язано з незначною потужністю, що витрачається в ланцюгу керування, порівняно з  потужністю, що виділяється в анодному ланцюзі;
  •  можливість керування вмиканням тиристора напругою на керуючому електроді: чим більша напруга на керуючому електроді, тим менша напруга вмикання. В цьому випадку вмикання тиристора відбувається при меншій анодній напрузі UА.

Таким чином, тиристор можна вмикати за анодом і за керуючим електродом.

Крім того, вмикати тиристор можна і іншими способами:

  •  збільшенням ємносного струму стоку КП, обумовленого швидким зростанням прикладеної напруги UА (ефект ). При цьому збільшується коефіцієнт α1, і, відповідно, α1+α21;
  •  опроміненням світлом (фототиристор, оптронний тиристор), що призводить до генерації пар електрон-дірка, а відповідно і збільшення коефіцієнтів α1 і α2;
  •  нагрівом тиристора, що збільшує термогенерацію носіїв. При цьому зростають струми тиристора, а, відповідно, і коефіцієнти α1 і α2.

Ці способи забезпечують вмикання тиристора при меншій напрузі.

Для вимикання тиристорів необхідно видалити з його баз надлишковий (нагромаджений) заряд. Після чого змінюється полярність напруги на КП, він зміщується в зворотньому напрямі і закривається.

Вимикання тиристора відбувається за анодним ланцюгом і за ланцюгом керування:

  •  зменшенням або припиненням анодного струму IА;
  •  подачею зворотньої анодної напруги UА;
  •  подачею зворотньої напруги керуючого переходу UК.
  •  При зменшенні анодного струму стає меншим струм утримання Iут, коефіцієнти α1 і α2, що залежать від струмів IЕ1 і IЕ2, стають малими, що призводить до зміщення КП в зворотньому напрямку і до вимикання тиристора (рис. 11.7).

Рис.11.7. Способи вимикання тиристора

  •  З подачею зворотньої анодної напруги струм припиняється також із-за закриття КП.
  •  З подачею звортньої напруги на електрод керування для закриття тиристора необхідний великий струм керування, що енергетично невигідно. Тому в цьому випадку використовують вимикальні тиристори, які мають невеликий струм керуючого електрода. При  виготовленні  такого   тиристора   знижують   коефіцієнт   інжекції  p-емітера і коефіцієнт переносу інжектуємих цим емітером дірок через n-базу. Це призводить до зменшення порогу компенсації нерівноважного заряду електронів в p-базі, утворюваного вимикальним струмом керуючого електрода, зарядом інжектуємих дірок.

Тому для замикання керуючого емітерного переходу потрібно вводити в p-базу менший негативний заряд, тобто необхідний менший струм керуючого електроду.

Вхідна характеристика при розімкнутому анодному ланцюгу (IА=0) являє собою звичайну ВАХ електронно-діркового переходу (рис. 11.8).

При відкритому тиристорі його анодний струм частково відгалужується в ланцюг керування, тому його ВАХ зміщується вправо.

Рис. 11.8. Вхідна вольт-амперна характеристика тиристора.

11.4. Імпульсне перемикання тиристорів

Відбувається за допомогою імпульсів, що подаються на анод або керуючий електрод. З подачею імпульса починається заряд ємностей переходів, нагромадження носіїв в базі, і струм IА буде наростати постійно впродовж часу tвм, після закінчення імпульсу струм зменшується за час tвим.

Процес вмикання і вимикання тиристора відбувається за певний час, повязаний з нагромадженням і розсмоктуванням нерівноважного заряду в базі. Цей час обмежує частотний діапазон тиристорів (до 25кГц).

Перемикання тиристора може бути за анодом (рис. 11.9) та електродом управління.

Рис. 11.9. Осцилограма перемикання тиристорів.

З ростом Uвх збільшується швидкість інжекції і ступінь насиченості баз носіями заряду, що призводить до зменшення часу затримки і нарощування і до збільшення часу розсмоктування. Час спаду від напруги Uвх не залежить.

При імпульсному вмиканні тиристора по електроду управління необхідно мати на увазі, що відкриття його спочатку відбувається лише в вузькому каналі поблизу керуючого електроду, тобто спочатку інжекція носіїв заряду з емітера відбувається лише біля керуючого електроду. Потім внаслідок дифузії носіїв заряду канал поступово розширюється і охоплює всю площу переходу.

Цей ефект може призвести до локального перегріву кристала і виходу тиристора з ладу. Тому допустима швидкість нарощування струму аноду  обмежується у тиристорах технічними умовами. Відповідно обмежується і частота перемикання.

Зі збільшенням струму Iкер зростає час затримки tзт та нарощування tнр, зменшується час розсмоктування tроз та спаду tсп.

Характеристики і параметри тиристора

Характеристиками тиристора є

  •  вихідна IА=f(Uа) при Iу=const,
  •  вихідна Iу=f(Uу) при IА=const.

Вихідна характеристика розглянута раніше. За вихідною характеристикою (рис. 11.10) можна визначити його параметри:

- Напругу tвим. – анодна напруга, за якої тиристор переходить із режиму „закрито” до режиму „відкрито”. Як було визначено раніше, ця напруга залежить від    напруги    керування    Uу:    чим більша напруга Uу, тим менша напруга Uпр. зкр. макс. Цій напрузі відповідає струм Iзкр. макс.

- Утримуючий струм (Iут. мін.) – мінімальний струм, необхідний для утримання транзистора у відкритому стані.

- Падіння напруги на тиристорі у відкритому стані (Uвідкр) при заданому струмі I1.

- Напруга відкриття (Uу відкр) і струм відкриття (Iу відкр) керуючого електрода.

- Uзвор макс, Iзвор макс, Pмакс, Iвідкр макс, Uвідкр макс.

Окрім того, до параметрів тиристора відносяться:

  •  час вмикання, tвм;
  •  час вимикання, tвим;
  •  максимальна частота, fмакс=.

Наприклад, тиристор 2У208 має такі параметри: Uпр=400 В, IА≤5 А, I0=5мА, Iу<150мА, f400Гц, tвм<150мкс, tвим<10 мкс.

Рис. 11.10. Визначення параметрів тиристора за його ВАХ.

6

Uзвор макс.

Iзкр. макс.

Uпр.зкр.макс.

Uвідкр

I1

I

U

iа

tсп=5 мкс

tроз=0,4 мкс

tнр=2,2 мкс

t3=0,2 мкс

tвим

tсп

tроз

tвм

tнр

t2

t3

t

Uвх

t

Uвх

IА≠0

IА=0

Uк

Iк

E

R

R

E

Uу΄< Uу΄΄< Uу΄΄΄

Uу΄΄΄

Uу΄΄

Uу΄

UВМ΄΄΄

UВМ΄΄

UВМ΄

Iа

UА

+

- К

КП

ЕП2

n -

n -

p +

p +

3

2

4

1

ЕП1

IА

UА

Rн

IА

U

E

α2

α1

IЕ

α

в

n2 

n1

p2 

p1 

б

а

n 

n 

p 

p 

n-база

n-емітер

p-емітер

p-база

КП

ЕП2

К

А

n 

n 

p 

p 

ЕП1

6. Тетродний тиристор

5. Тріодний симетричний незакриваємий тиристор (динистор)

Uпроб

+ 

4. Тріодний незакриваємий тиристор з керуванням за катодом

3. Тріодний незакриваємий тиристор з керуванням за анодом

2. Діодний симетричний тиристор (динистор)

1. Діодний тиристор (динистор)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23872. Идейно-художественная концепция Слова 25.5 KB
  Идейнохудожественная концепция СловаАвтор слова превратил частный случай поражения русских в событие общерусского значения. Кто виноват:сами виноватыно есть разная степень виныполитические уроки слова Что делатьНа силу ответить силойнет. Жертвенная любовьособенно в образе Ярославныстановиться главной идей слова.Художественная природа слова своеобразна.
23873. Композиция и жанр Слова 27.5 KB
  Жанр СловаСлово как и ряд других памятников древнерусской литературы оказывается как бы вне её жанровой системы. Для русской литературы того времени было характерно существование двух жанровых систем: системы литературных жанров и системы жанров фольклора. Но обе эти системы не знали жанров которые могли бы воплотить в себе новые формы исторического и патриотического сознания. Система фольклорных жанров была для этого слишком архаичной а система лит.
23874. Жанр, композиция «Слова» 42 KB
  начало а содержание составляют помимо откликов на поход Игоря также припоминания о различных событиях произошедших за полтора предшествующих столетия. Автор излагает свои намерения противопоставляя их тому в каком роде стал бы восхвалять поход Игоря его предшественник Боян. слагающему песнь последнему походу Игоря необходимо придерживаться правды и петь свою песнь по былинам сего времени. Предстоит петь не славу походу Игоря а по нашим понятиям нечто вроде плача или даже антиславы.
23875. Образные системы слова 63.5 KB
  Образные системы слова Слово насыщено народной поэзией ее художественными образами. Лихачев отмечает: Автор €œСлова€ творит в формах народной поэзии потому что сам он близок к народу стоит на народной точке зрения. Народные образы €œСлова€ тесно связаны с его народными идеямиСозданию и восприятию этнографической картины способствуют деловая военная феодальная трудовая охотничья лексика описание воинских обычаев а также использование символики.многое в художественных образах €œСлова€ рождалось самой жизнью шло от разговорной...
23876. Задонщина: образная система 26.5 KB
  СОДЕРЖАНИЕ:Дмитрий ИвановичДонской и его брат Владимир Андреевич сидят на пиру с воеводами и оповещают всехчто Мамай зочет напасть на Русьпризыв к объединению народа.войка сходятсябьются с утра и до полудняочень много убито русских войноввсе жены плачутв тот же день на рождение святой Богородицы разгромили христианские полки татардалее бегство татарСлава Донского и его братаДонской просит посчитать погибшихмолитсяпросит прощения у мертвых и возвр в МосквуНет радости от победыпотери очень великиболь от победы заглушает...
23877. Задонщина и Слово о полку Игореве 26 KB
  Задонщина и Слово о полку ИгоревеЗадонщина ориентирована на Слово о Полку ИгоревеЗадонщиназеркальное отражение Словапротивоположноефинал инойчем в слове. Слово сначала победа потом поражение З наоборот.
23878. Слово о Меркурии Смоленском 33.5 KB
  содержание:Был в городе Смоленске один человек молодой годами по имени Меркурий благочестивый в наставленьях господних обучавшийся им день и ночь славный примерной жизнью постом и молитвой сияющий будто звезда богоданная в мире этом. И придя с великою ратью под богоспасаемый город Смоленск стал тот царь от города в тридцати поприщах и многие святые церкви пожег и христиан убил и решил непременно захватить город этот. Жители впали в великую скорбь неисходно пребывали в соборном храме святой Богородицы смиренно взывая с плачем...
23879. Послание архиепископа новгородского Василия ко владыке тверскому Федору о рае 26.5 KB
  Послание о земном рае читается в Софийской первой и Воскресенской летописях под 1347гСвое послание Василий пишет в Тверьузнав о распревозникшей среди тверичей по вопросу о существовании раяСущют 2 представляения о рае:рай находится на землев другом мирекак духовное понятиесугубо мысленноеВасилий убеждает Федора в сущ.нигде не сказаночто земной рай погибон создан богома все дела божьинетленныв Иерусалиме видел калиткукот не двигается с тех поркак Иисус ее претворил не до концаесть ад на земленовгородские ватаги видели вход в...
23880. Сказание об Индийском царстве 27 KB
  Сказание рисует сказочный образ далекой Индии.все о чем человек может мечтать в повседневной жизниобеспеченностьбогатсвообилие всего вокругуверенность в настоящем и будущемвсе это представлено в сказочнопреувеличенном видеИоанн пишетчто он царь над царямии ему подченено 3300царейцарские палаты грандиозны и с земными не могут вступать в сравнениеинд царство населяют не только обычные людино и самые невероятные человеч существарогатыетрехногиемногорукие и тдфантастичен животный мирв Индии есть все и при это нет ни тятяворани...