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

46755. Развитие аналитических форм глагола 28.5 KB
  период в английском языке развиваются аналитические формы глагола. Аналитические формы пассивного залога образуются с помощью глагола bēn wesen причастие II при этом только переходные глаголы могут выступать в пассивном залоге. Перфектные формы получили статус грамматизованных аналитических форм тоже в с. Сравните например две формы Pst Perfect:  er tht he hdde hlf his cours yseyled;  t night ws come into tht hostelrye wel nyne nd twenty in compnye of sondry folk.
46756. Содержание экологических прав граждан 28.68 KB
  Предметом этого регулирования являются общественные отношения в области охраны и рационального использования животного мира а также связанные с ними отношения в сфере сохранения и восстановления среды его обитания в целях обеспечения биологического разнообразия устойчивого существования и использования животного мира сохранения генетического фонда диких животных как неотъемлемого элемента природной среды. Его положения развиваются и конкретизируются в нормах подзаконных актов основную массу которых составляют Постановления Правительства...
46757. Механизм образования коррозии. Технологические методы защиты от коррозии НПО 39.5 KB
  Коррозия – разъедание, процесс химического или электро-хим. Разъедания металлов и сплавов. Коррозия начинается с поверхности металла и распространяется в глубь при этом метал может полностью или частично растворится. Так же может образовываться осадки в виде оксидов и гидрооксидов, ржавчина, окалина.
46758. ПОЗИЦИОННЫЕ СВЯЗИ И БАЗИРОВАНИЕ 28.79 KB
  Погрешности формы и размеров обработанных заготовок определяются отклонениями положений режущих кромок и заготовок от траектории заданного формообразующего движения. Задачи взаимной ориентировки деталей и сборочных единиц в машинах при их сборке и заготовок на станках при изготовлении деталей решаются их базированием. При механической обработке заготовок на станках базированием принято считать придание заготовке требуемого положения относительно элементов станка определяющих траектории движения подачи обрабатывающего инструмента. В связи...
46759. The traditional communicative classification of the sentences 29 KB
  In accord with the purpose of communication three cardinal sentence-types have long been recognised in linguistic tradition: first, the declarative sentence; second, the imperative (inducive) sentence; third, the interrogative sentence. These communicative sentence-types stand in strict opposition to one another, and their inner properties of form and meaning are immediately correlated with the corresponding features of the listener's responses
46760. Топливные элементы 523.28 KB
  Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии. Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях — как стационарные электростанции
46761. Мастикові покрівлі 29 KB
  Мастикові покрівлі влаштовують із бітумних емульсійних паст і мастик полімерних мастик а також гарячих бітумних і бітумногумових мастик. Бітумні емульсійні пасти та мастики готують централізовано і поставляють на будівельний майданчик у спеціальних посудинах. Улаштування мастикових покрівель починають з підготовки поверхні основи: перевіряють нівеліром похил поверхні покриття основи під покрівлю наклеюють над стиками панелей покриття захисні армувальні прокладки з тканої склосітки занурюючи її в бітумноемульсійну пасту; влаштовують...
46762. ХАРАКТЕРИСТИКА КРИЗИСА ТРЕХ ЛЕТ 29 KB
  Ребенок отказывается вообще подчиняться определенным требованиям взрослых. Упрямство состоит в том что ребенок настаивает на своем требовании на своем решении. Ребенок сам хочет чтото делать. Отчасти это напоминает кризис первого года но там ребенок стремился к физической самостоятельности.