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

36160. Способы пуска электродвигателей переменного тока 277.32 KB
  Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей нормального исполнения Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей специального исполнения Реостатный пуск двигателей с фазным ротором Пуск при пониженном напряжении на обмотке статора
36161. HDD-РЕКОРДЕРЫ 157 KB
  К каждой стороне диска на специальных вращающихся кронштейнах коромыслах подводятся магнитные головки с помощью которых и осуществляется запись и считывание данных рис. Поверхности диска должны быть идеально плоскими и тщательно отполированными. Кронштейны с головками могут поворачиваться вокруг оси на которой они закреплены и головки размещенные на их концах могут таким образом устанавливаться на любую дорожку диска. Кронштейн слегка подпружинен и его конец с закрепленными головками в отсутствии вращения диска должен соприкасаться с...
36162. Определение и история SSD 81.22 KB
  Для SSD в настоящее время применяются два типа NANDFlash памяти: SLC Single Level Cell и MLC Multi Level Cell отличающиеся плотностью хранения информации. При подаче на управляющий затвор положительного напряжения инициализация ячейки памяти он будет находиться в открытом состоянии что соответствует логическому нулю рис. Устройство транзистора с плавающим затвором и чтение содержимого ячейки памяти Таким образом наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе однозначно определяет состояние транзистора открыт или закрыт при...
36163. Физические характеристики, позволившие получить высокую информационную емкость диска BluRay 90 KB
  Минимальный диаметр b светового пятна в точке фокуса прямо пропорционален длине волны излучения лазера и обратно пропорционален числовой апертуре объектива: где с коэффициент величина которого зависит от уровня световой энергии по которому измеряется диаметр пятна. Сравнительные размеры светового пятна по уровню первого темного кольца Эйри для излучения с длиной волны 780 нм CD 650 нм DVD и 405 нм BluRay приведены на рис. Площадь же светового пятна как известно прямо пропорциональна квадрату его радиуса S = πr2 или диаметра S =...
36164. Канальная модуляция 165 KB
  ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Канальная модуляция это набор разнообразных методов представления цифровой информации в форме обеспечивающей возможность записи наибольшего количества этой информации на единице площади или длины данного носителя и позволяющей использовать простые и надежные методы ее считывания. В современных системах записи информации на носитель имеются в виду системы записи на движущийся носитель диск или ленту запись данных осуществляется на одну дорожку. В любой системе записи информации полоса пропускания канала записи...
36165. Сервосистемы проигрывателя CD. Автофокусировка 124.5 KB
  Глубина резкости объектива d зависит от его числовой апертуры NA Numerical Aperture и от длины волны λ излучения лазера d = λ [2NA2] 1 Числовая апертура объектива определяется выражением: NA = n sinθ 2 где n показатель преломления среды в которой распространяется свет; θ угол под которым виден радиус входного зрачка объектива из точки пересечения его оптической оси с фокальной плоскостью рис. Изображение точки В при наличии астигматизма передается в виде горизонтального В' или вертикального В'' отрезка...
36166. Защита от ошибок в формате CD 52 KB
  Из теории помехоустойчивого кодирования известно что для коррекции t ошибок код должен иметь не менее 2t проверочных символов граница Синглтона. Значит каждый из них может исправить не более двух ошибок. Известно также что максимальное число гарантированно обнаруживаемых ошибок равно числу проверочных символов кода.
36167. SSD (Solid State Drive). Преимущества и недостатки 20.06 KB
  SSD логически эмулирует обычный жёсткий диск HDD и теоретически везде может применяться вместо него. SSD использующие динамическую память DRAM а не флэшпамять часто называются RAMdrive и имеют ограниченное применение например в качестве выделенного диска для файла подкачки ОС. Сердцем SSD является микросхема контроллера которая в первую очередь определяет такие ключевые характеристики SSD как внешний интерфейс быстродействие и энергопотребление. Преимущества и недостатки Преимущества SSD над HDD.
36168. Магнитные головки для записи информации на жесткий диск 112 KB
  Вначале это были монолитные головки. Композитные головки выполнены из феррита на подложке из стекла или твердой керамики и имеют меньшие размеры в сравнении с монолитными. Дальнейшим развитием технологии композитных головок стали так называемые головки MIGтипа MIG Metal In Gap.