Тиристоры
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Тема № 5 Тиристоры.
- 5.1. Общие сведения.
- 5.2. Структура.
- 5.3. Классификация.
- 5.4. Динистор.
- 5.5. Динистор с обратной проводимостью.
- 5.6. Диак.
- 5.7. Не запираемый тринистор с управление по аноду.
- 5.8. Запираемый тринистор с управление по катоду.
- 5.9. Триак.
- 5.10. Тетродный тиристор.
- 5.11. Условные обозначения.
- 5.12. Маркировка.
5.1. Общие сведения.
Тиристором называют полупроводниковый прибор, имеющий три и более р-п перехода. Его характеризуют два устойчивых состояния и он может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Эту особенность тиристора подчеркивает и его название «тира» - по гречески «дверь».
Назначение: Тиристоры применяют для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямительный), для преобразования постоянного тока в переменный (инверторы), для преобразования переменного тока в постоянный с изменением уровня напряжения на выходе (управляемые выпрямители), для изменения частоты переменного тока (частотные преобразователи), для изменения числа фаз переменного тока (фаза вращателей), в качестве коммутирующих элементов (электронные ключи), в качестве инверсно – выпрямительных устройств.
5.2. Структура.
Основой большинства тиристоров служит четырехслойная структура типа р1-п1-р2-п2. Крайние области и переходы 1 и 3 структуры (рис. 1)называют эмиттерными, центральный переход 2 — коллекторным, а области п1и р2 — базами. Толщина областей тиристора различна, а концентрация примесей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах. Внешний вывод от п-эмиттера именуют катодом, от р-эмиттера — анодом. Эти электроды, подключаемые к цепи нагрузки, называют основными, а токи и напряжения в этих цепях — основными токами и напряжениями тиристора.
Рис. 1. Структура тиристора.
5.3. Классификация.
Тиристоры классифицируют по числу внешних электродов и способу управления переключением. В зависимости от числа электродов различают три основные разновидности тиристоров:
диодный тиристор (динистор) имеет только два основных электрода — анод и катод, у его баз нет выводов;
триодный тиристор (тринистор), кроле анода и катода, имеет дополнительный управляющий электрод — вывод от 'азы, к которому или от которого поступает ток управления;
тетродный тиристор — обе базы снабжены выводами, т. е. в приборе имеется два управляющих электрода.
Включение и выключение динисторов осуществляют изменением значения и полярности основного напряжения, поэтому их относят к неуправляемым приборам. Триодные и тетродные тиристоры могут переводиться из закрытого состояния в открытое током управляющего электрода, поэтому их относят к управляемым приборам.
Дальнейшее развитие тиристоров привело к разработке приборов с пятислойной структурой р-п-р-п-р-диодных и триодных симметричных тиристоров. Они способны переключаться как в прямом, так и в обратном направлении. Причем триодный симметричный тиристор включается в обоих направлениях при подаче сигнала на его управляющий электрод.
5.4. Динистор.
Действие диодного тиристора (динистора) обусловлено физическими процессами в р-п-переходах структуры и взаимодействиями между ними. При подаче положительного напряжения на анод (рис. 2) переход 2 включается в обратном направлении, а переходы 1 и 3 — в прямом. Происходит инжекция носителей через открытые переходы — дырок из области p1 в базу n1, электронов — из п2 в р2. Одновременно через открытые переходы инжектируются встречные потоки носителей — электронов из базы п2 в р1 и дырок из базы р2 в область п2. Однако концентрации основных носителей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах, поэтому инжекцией носителей из баз через открытые переходы 1 и 3 можно пренебречь.
Рис. 2. Структура динистора.
Инжектированные в базы носители перемещаются в них вследствие диффузии, частично рекомбинируют, а затем экстрагируются через переход 2, включенный в обратном направлении. Кроме тока, создаваемого инжектированными носителями, через переход 2 проходит также собственный обратный ток, обусловленный неосновными носителями в базах п1 и р2. В результате ток коллекторного перехода 2
I2=A1I1+A2I3+I02, (1)
где I1, I3—токи соответственно первого и третьего переходов; A1, A2 — коэффициенты передачи тока соответственно через n1-и р2-базы; I02 — собственный обратный ток перехода 2.
Электронная составляющая тока через переход 2 A2I3 существенно больше дырочной составляющей A1I1.Это обусловлено большей подвижностью электронов по сравнению с дырками. Кроме того, база п1 значительно шире базы р2 и вероятность рекомбинации в ней выше, поэтому коэффициент A2>A1.
Поскольку рассматриваемый участок цепи не имеет разветвлений, токи любого его сечения должны быть равны анодному току: Iа= I1=I2=I3.Тогда, используя формулу (1), получим:
Iа= I02/[1-(A1+A2)]. (2)
Коэффициенты передачи тока через базу зависят от значения тока. Анодное напряжение распределяется между р-п-переходами пропорционально их сопротивлениям. Так как сопротивления открытых переходов 1 и 3 значительно меньше по сравнению с сопротивлением закрытого перехода 2, к нему приложено почти все анодное напряжение. При небольших напряжениях анода прямое смещение на переходах 1 и 3 невелико и токи I1 и I3 составляют несколько микроампер. При таких токах эмиттера коэффициент передачи тока очень мал. Поэтому пока напряжение анода невелико, сумма (А1+А2)<<1 и анодный ток определяется собственным обратным током коллекторного перехода I02.
С повышением анодного напряжения возрастает прямое смещение на переходах 1 и 3, увеличиваются инжекция носителей и коэффициенты их передачи через базы. Электроны, инжектированные из области п2, переходят через переход 2 в базу п1 и создают там неравновесный отрицательный заряд, снижающий ее потенциал. Это увеличивает инжекцию дырок эмиттерной областью р1 в п1-базу. Дырки, экстрагируя, в свою очередь, через переход 2 в р2-базу, увеличивают ее положительный потенциал и соответственно инжекцию электронов из области п2. Таким образом, в структуре динистора начинает действовать внутренняя положительная обратная связь, развивается регенеративный процесс, который ведет к самопроизвольному увеличению анодного тока.
При анодном напряжении, равном Uвкл, процесс регенерации усиливается, сумма A1+A2 приближается к единице и ток динистора резко возрастает. Неподвижные заряды ионов примеси, образующие потенциальный барьер перехода 2, компенсируются динамическими неравновесными зарядами электронов и дырок в р2-и п1-базах. В результате этого переход 2 смещается в прямом направлении, его сопротивление резко падает, начинается перераспределение напряжения источника Еа.
Тиристор переходит в неустойчивый режим II, где он имеет отрицательное дифференциальное сопротивление, а затем скачком — в режим III, соответствующий устойчивому открытому состоянию динистора (рис. 3). В этом режиме падение напряжения на приборе определяется суммой падений напряжений на трех p-n-переходах, смещенных в прямом направлении, а также в наружных областях структуры и внешних выводах. Ток динистора в этом режиме зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки Iа≈Ea/Rн.
Рис. 3. ВАХ динистора.
Динистор переходит из закрытого состояния в открытое, если приложенное к нему анодное напряжение превышает напряжение включения, т. е. при Ua≥Uвкл. При напряжении источника питания Еа < Uвкл переключение можно осуществить подачей положительного импульса отпирающего напряжения Uот на анод динистора (рис. 4, а) или отрицательного — на катод (рис. 4, б). Суммарное напряжение между электродами должно удовлетворять условию (Ua+[Uот]) ≥Uвкл.
Перевод закрытого динистора в открытое состояние — обратимый процесс. При снижении тока динистора объемные заряды носителей в базах оказываются недостаточными для компенсации потенциального барьера перехода 2, процесс развивается в обратной последовательности и динистор переключается в закрытое состояние. Время выключения определяется процессами рассасывания и рекомбинации подвижных носителей в областях структуры и примерно на порядок превышает время включения.
При подаче отрицательного напряжена анод эмиттерные переходы 1 и 3 оказываются включенными в обратном направлении, а переход 2 — в прямом. Ток прибора обусловлен процессами термогенерации и экстракции неосновных носителей через переходы 1 и 3, значение тока очень мало. Вольт-амперная характеристика динистора в этом режиме аналогична характеристике двух соединенных последовательно полупроводниковых диодов, включенных в обратном направлении.
Если обратное напряжение достигает Uпроб, начинается лавинный пробой переходов 1 и 3, ток динистора резко возрастает. Этот режим недопустим для обычных приборов. Однако специальные динисторы, проводящие в обратном направлении, могут работать в режиме лавинного пробоя аналогично стабилитронам.
Обычным диодным тиристорам присущи два недостатка. Они реализуют переключение тока нагрузки только в одном направлении, это ограничивает возможности их применения в регуляторах переменного тока. Напряжение их включения неуправляемо. Первый недостаток устранен в симметричных диодных тиристорах, второй — в триодных тиристорах.
Рис. 4. Схемы включения динистора сигналами положительной (а) и отрицательной (б) полярности.
5.5. Динистор с обратной проводимостью.
Динистор с обратной проводимостью имеет такую же структуру как и обычный динистор, но его обмотки имеют повышенную концентрацию примесей, за счет этого при обратном включении прибора создаётся участок, на котором изменение обратного тока происходит без изменения прямого напряжения.
Рис. 5. Структура динистора с обратной проводимостью.
Рис. 6. ВАХ динистора с обратной проводимостью.
5.6. Диак.
Этот прибор способен переключаться как в прямом, так и в обратном направлениях. Он имеет симметричную относительно начала координат вольт-амперную характеристику (рис. 8). Диак представляет собой пятислойную п-р-п-р-п-структуру с четырьмя р-п-переходами, причем области п1 и р1, п3 и р2 соединены параллельно соответственно выводам анода и катода (рис. 7).
Рис. 7. Структура диака.
При подаче положительного напряжения на анод переходы 2 и 4 смещены в прямом направлении, а 3 — в обратном. Переход 1 шунтирован контактом анодного вывода. Если напряжение мало, через структуру проходит небольшой ток.
Основная его часть течет параллельно переходу 4, стремясь достичь вывода катода по пути с наименьшим сопротивлением. При увеличении напряжения переход 2 все более смещается в прямом направлении, возрастает также инжекция дырок из области р1 в область п2. Дырки перемещаются вследствие диффузии по п2, экстрагируют через переход 3 в область р2 и повышают ее потенциал относительно области п3. Это вызывает инжекцию электронов из области п3 в р2 и их экстракцию через переход 3 в слой п2. В результате дальнейшего нарастания тока переход 3 смещается в прямом направлении, происходит включение структуры р1-п2-р2-п3.
При противоположной полярности напряжения, приложенного между анодом и катодом, аналогично происходит включение структуры п1-р1-п2-р2.
Диодные тиристоры применяют в схемах импульсных ключей, генераторов импульсов, триггеров и двухпозиционных переключателей. Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением позволяет использовать динистор в схеме релаксационного генератора.
Рис. 8. ВАХ диака.
5.7. Не запираемый тринистор с управление по аноду.
5.8. Запираемый тринистор с управление по катоду.
В триодном тиристоре напряжением включения управляют, подавая дополнительное прямое смещение на один из открытых р-п-переходов. Наиболее распространены тиристоры с инжектирующим управляющим электродом р-типа или с управлением по катоду (рис. 9). Дополнительное положительное смещение подают у них на переход 3, ближайший к катоду; соответственно управляющим электродом служит вывод базы р2. Это обусловлено тем, что коэффициент передачи тока в узкой базе р2 близок к единице.
Рис. 9. а – незапираемый с управлением по катоду; запираемый с управлением по катоду.
Тиристор, у которого управляющий электрод соединен с п-областью, ближайший к аноду, и который переводится в открытое состояние при подаче направляющий электрод отрицательного по отношению к аноду сигнала, называют тиристором с инжектирующим
управляющим электродом n-типа, или управлением по аноду (рис. 10).
Рис. 10. С управлением по аноду.
Рассмотрим работу тиристора с управлением по катоду. Если ток управляющего электрода Iу = 0, характеристика триодного тиристора совпадает с характеристикой аналогичного диниcтора. При подаче на управляющий электрод положительного напряжения снижается потенциальный барьер перехода 3, возрастает инжекция электронов из эмиттера п2 и растет коэффициент их передачи А2 в базе р2. Приток этих дополнительных электронов через переход 2 в базу п1 снижает ее потенциал, вследствие чего увеличиваются инжекция дырок переходом 1 и коэффициент передачи тока А1. Объемные заряды носителей в областях п2 и р2 компенсируют заряды ионов примеси перехода 2 при меньшем напряжении включения. В этом случае анодный ток
Ia=(I02+A2Iу)/[1-(A1+A2)], (3)
где Iу - ток управляющего электрода.
По мере увеличения Iу равенство A1+А2=1 реализуется при меньшем анодном напряжении, а ток анода в момент включения тиристора возрастает. Это обусловлено тем, что с ростом Iу для компенсации зарядов ионов перехода 2 необходима меньшая составляющая тока, зависящая от анодного напряжения.
Таким образом, триодный тиристор представляет собой управляемый ключевой прибор. Изменяя ток Iу, можно управлять процессом перехода тиристора из закрытого состояния в открытое. При достаточно большом значении тока управляющего электрода прямая ветвь вольт-амперной характеристики триодного тиристора становится аналогичной прямой ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.
После отпирания тиристора управляющий электрод теряет свои управляющие свойства. Изменение тока Iу не влияет на анодный ток открытого тиристора, так как его области п2 и р2 заполнены неосновными носителями, обеспечивающими встречную инжекцию переходами 1 и 3. В этом принципиальное отличие незапираемого триодного тиристора от биполярного транзистора, который выключается при снятии управляющего сигнала вследствие прекращения притока носителей в базу.
Рис. 11. ВАХ не запираемого тринистора с управление по аноду (а) и запираемый с управлением по катоду(б).
Рис. 12. ВАХ запираемого тринистора с управлением по катоду.
Способы включения и выключения. Для включения тиристоров в цепях постоянного тока используют схемы с разделительным конденсатором или с импульсным трансформатором (рис. 13).
При включении тиристора через конденсатор С (рис. 13, а) диод VD1 предотвращает появление отрицательного импульса на управляющем электроде при разряде конденсатора. Для ограничения тока до требуемого значения в цепь управляющего электрода включают резистор Rогр. Через резистор Ry управляющий электрод связан с катодом прибора. Трансформатор Т (рис. 13, б) обеспечивает развязку входной цепи тиристора от генератора запускающих импульсов. Диод VD1 служит для подачи на управляющий электрод импульсов положительной полярности.
Открытый незапираемый тиристор можно запереть, уменьшив его ток до значения, меньшего тока удержания Iуд, - подав обратное напряжение в анодную цепь или разомкнув ее. При работе тиристора в цепи переменного тока он запирается автоматически, когда его ток становится меньше Iуд.
Рис. 13. Схемы включения тринистора с управление по катоду:
а – через конденсатор; б – через импульсный трансформатор.
При работе в цепи постоянного тока для выключения тиристора используют специальные схемы принудительного запирания (коммутации) с накопителями энергии — конденсаторами и катушками индуктивности. Схемы коммутации подразделяют на две группы. В первой группе тиристор запирают током предварительно заряженного конденсатора с указанной на рис. 14, а полярностью. Во второй группе (рис. 14, б) обратное напряжение вводится в анодную цепь от заряженного конденсатора С через индуктивную катушку L. Функции ключа К, замыкающего цепь конденсатора, выполняет другой тиристор или транзистор.
Соответствующие указанным группам примеры практических схем выключения тиристоров, используемых в устройствах железнодорожного транспорта.
Рис. 14. Схемы выключения незапираемого тринистора:
а – встречным током; б – обратным напряжением.
Запираемые тиристоры. Тринистор, который может не только открываться, но и закрываться при подаче на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности, называют запираемым (рис. 15, а).
Для запирания такого тиристора необходимо подать в цепь управляющего электрода напряжение Uз противоположной полярности по сравнению с Uот (рис. 15, б). Ток в цепи управляющего электрода вызывает рассасывание зарядов в базе тиристора. Это ведет к уменьшению токов инжекции через открытый переход и снижению коэффициентов передачи A1 и A2, достаточному для запирания тринистора. Источник запирающего напряжения на управляющем электроде должен обеспечить протекание запирающего тока Iу.з в течение интервала времени, пока тиристор не начнет запираться.
Способность тиристора к запиранию по управляющему электроду характеризует импульсный коэффициент запирания
Ви=Iа/Iу.з.и (4)
где Iа — основной ток в открытом состоянии;
Iу.з.и — импульсный запирающий ток управляющего электрода при определенном режиме в цепи основных электродов.
Запираемые тиристоры обеспечивают простое отключение нагрузки. Их применение позволяет упростить схемы импульсных устройств, используемых на железнодорожном транспорте.
Рис. 15.Схема управления запираемым тринистором (а) и осциллограммы ее входного и выходного напряжений (б).
5.9. Триак.
Это пятислойные ключи с п-р-п-р-п-структурой, имеющие один или два управляющих электрода. Преимущественное распространение получили приборы с одним управляющим электродом. При подаче сигнала на управляющий электрод симметричный тиристор может включаться как в прямом, так и в обратном направлении.
Структура симметричного триодного тиристора с двуполярным управлением имеет по сравнению с симметричным диодным тиристором дополнительную область п4, сформированную в слое р1 (рис. 16).
Рис. 16. Структура триака.
Когда отсутствует управляющий сигнал и Еа<Uвкл, тиристор закрыт. Если на его управляющий электрод подано отрицательное относительно анода напряжение, начинается инжекция электронов из области п4 через открытый переход 5, их диффузия по области р1 и частичное перемещение в область п2. Это вызывает снижение потенциала области п2, относительно р1 и дополнительный приток дырок через переход 2 в область п2. Эти дырки диффундируют в п2 до перехода 3, смещенного в обратном направлении, и переносятся его полем в область р2. Потенциал ее относительно слоя п3 повышается. В результате происходит инжекция электронов из области п3 через переход 4, их диффузия через р2 и переход в область п2. Потенциал п2 снижается, что ведет к дальнейшему росту тока. Этот лавинообразный процесс продолжается до переключения структуры в проводящее состояние.
При положительной полярности напряжения на управляющем электроде Еу относительно анода переход 5 закрыт. Однако напряжение Еу приложено также к области р1 и способствует смещению перехода 1 в прямом направлении, что вызывает приток электронов в область р1. Часть их проникает в область п2 и снижает ее потенциал относительно р1 то ведет к дополнительному притоку дырок из области р1 в п2. Так как перевод 3 смещен в обратном направлении, дошедшие до него дырки переносятся полем перехода 3 в область р2. Процесс продолжается до тех пор, пока структура не перейдет в проводящее состояние. Аналогично прибор работает и при противоположной полярности напряжения на электродах.
Перспективно применение симметричных триодных тиристоров в преобразователях и регуляторах переменного напряжения, а также в качестве бесконтактных элементов автоматики. Триак заменяет два параллельно включенных тиристора; он требует меньшей защиты от перенапряжений, так как проводит ток в двух направлениях.
Рис. 17. ВАХ триака.
5.10. Тетродный тиристор.
Это четырехслойные p-n-p-n-приборы, имеющие выводы от всех четырех областей структуры (рис. 18). Тетродный тиристор можно включать и выключать, изменяя напряжение на его двух управляющих электродах. Это расширяет функциональные возможности прибора по сравнению с динистором и тринистором.
Рис. 18. Структура тетродного тиристора.
При подаче на вывод n-базы обратного напряжения можно ускорить рассасывание в ней носителей и повысить быстродействие тиристорного ключа. Тетродные тиристоры перспективны для использования в схемах сравнения, триггерах и других устройствах.
Рис. 19. ВАХ тетродного тиристора.
5.11. Условные обозначения.
Рис. 20. Условные обозначения тиристоров:
а – диодный тиристор запираемый в обратном направлении; б – диодный тиристор проводящий в обратном направлении; в – диак; г – незапираемый с управлением по аноду; д – незапираемый с управление по катоду;е - запираемый с управлением по катоду; ж – триак; з – тетродный тиристор.
5.12. Маркировка.
Маркировка тиристоров состоит из шести элементов. Например, маркировка КУ215Б расшифровывается так: К – тиристор кремниевый, У – триодный, управляемый, 2 – предназначен для широкого применения, средней мощности. 15 – номер разработки, Б – группа ( отличие по параметрам в серии). Или же КН102И означает: К – тиристор кремниевый, Н – диодный,1 – предназначен для широкого применения. Малой мощности. 02 – номер разработки, И- группа отличия по параметрам. Симметричные тиристоры имеют аналогичное обозначение, например КУ208А, где 08 – означает номер разработки симистора.
2. Природа, источники, механизм взаимодействия с веществом, особенности воздействия на организм человека нейтронного излучения
3. Постмодернистская философия 1
4. р филос наук профессор Ю
5. По тонкой проволоке
6. Северный Арктический федеральный университет имени М
7. тема исследования время проведения объект исследования тип выборки объем выборочной совокупности и т
8. тема общественных отношений интересы как основа связей и отношений между людьми
9. Тема 23 ПСИХИКА ЧЕЛОВЕКА 2
10. УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе профессор П
11. Развитие российскоамериканских отношений в 90е годы Выполнила студентка 1го курса дневн
12. Вторичные леса
13. Наша Галактика
14. Теоретические школы изучения европейской интеграции причины зарождения и механизмы развития
15. тема организационных и технических мероприятий и средств обеспечивающих защиту людей от вредного и опасног
16. Содержание образования как средство развития личности и формирования её базовой культуры
17. Розвиток геральдики України
18. Оранжевой книги см.
19. статьями 264 266 и 166 УК РФ Пленум Верховного Суда Российской Федерации руководствуясь статьей 126 Конституции Р
20. психиатрическая экспертиза