Триодные и диодные тиристоры. Назначение, принцип действия. Диодный тиристор

это что такое? Принцип работы и характеристики тиристоров

Тиристоры – это силовые электронные ключи, управляемые не полностью. Нередко в технических книгах можно увидеть еще одно название этого прибора – однооперационный тиристор. Другими словами, под воздействием управляющего сигнала он переводится в одно состояние – проводящее. Если конкретизировать, то он включает цепь. Чтобы она выключалась, необходимо создать специальные условия, которые обеспечивают падение прямого тока в цепи до нулевого значения.

Особенности тиристоров

Тиристорные ключи проводят электрический ток только в прямом направлении, причем в закрытом состоянии он выдерживает не только прямое, но и обратное напряжение. Структура тиристора четырехслойная, имеется три вывода:

1. Анод (обозначается буквой А).
2. Катод (буквой С или К).
3. Управляющий электрод (У или G).

У тиристоров есть целое семейство вольт-амперных характеристик, по ним можно судить о состоянии элемента. Тиристоры – это очень мощные электронные ключи, они способны проводить коммутацию цепей, в которых напряжение может достигать 5000 вольт, а сила тока - 5000 ампер (при этом частота не превышает 1000 Гц).

Работа тиристора в цепях постоянного тока

Обычный тиристор включается путем подачи токового импульса на управляющий вывод. Причем он должен быть положительным (по отношению к катоду). Длительность переходного процесса зависит от характера нагрузки (индуктивная, активная), амплитуды и скорости нарастания в цепи управления импульса тока, температуры кристалла полупроводника, а также приложенного тока и напряжения на имеющиеся в схеме тиристоры. Характеристики схемы напрямую зависят от вида используемого полупроводникового элемента.

В той цепи, в которой находится тиристор, недопустимо возникновение большой скорости нарастания напряжения. А именно такого значения, при котором происходит самопроизвольное включение элемента (даже если нет сигнала в цепи управления). Но одновременно с этим у сигнала управления должна быть очень высокая крутизна характеристики.

Способы выключения

Можно выделить два типа коммутации тиристоров:

1. Естественная.
2. Принудительная.

А теперь более подробно о каждом виде. Естественная возникает тогда, когда тиристор работает в цепи переменного тока. Причем происходит эта коммутация тогда, когда ток падает до нулевого значения. А вот осуществить принудительную коммутацию можно большим количеством различных способов. Какое управление тиристором выбрать, решать разработчику схемы, но стоит поговорить о каждом типе отдельно.

Самым характерным способом принудительной коммутации является подключение конденсатора, который был заранее заряжен при помощи кнопки (ключа). LC-цепь включается в схему управления тиристором. Эта цепочка и содержит заряженный полностью конденсатор. При переходном процессе в нагрузочной цепи происходят колебания тока.

Способы принудительной коммутации

Существует еще несколько типов принудительной коммутации. Нередко применяют схему, в которой используется коммутирующий конденсатор, имеющий обратную полярность. Например, этот конденсатор может включаться в цепь при помощи какого-либо вспомогательного тиристора. При этом произойдет разряд на основной (рабочий) тиристор. Это приведет к тому, что у конденсатора ток, направленный навстречу прямому току основного тиристора, будет способствовать снижению тока в цепи вплоть до нуля. Следовательно, произойдет выключение тиристора. Это случается по той причине, что устройство тиристора имеет свои особенности, характерные только для него.

Существуют также схемы, в которых подключаются LC-цепочки. Они разряжаются (причем с колебаниями). В самом начале ток разряда течет навстречу рабочему, а после уравнивания их значений происходит выключение тиристора. После из колебательной цепочки ток перетекает через тиристор в полупроводниковый диод. При этом, покуда течет ток, к тиристору прикладывается некоторое напряжение. Оно по модулю равно падению напряжения на диоде.

Работа тиристора в цепях переменного тока

Если тиристор включить в цепь переменного тока, можно осуществить такие операции:

1. Включить или отключить электрическую цепь с активно-резистивной или активной нагрузкой.
2. Изменить среднее и действующее значение тока, который проходит через нагрузку, благодаря возможности регулировать момент подачи сигнала управления.

У тиристорных ключей имеется одна особенность – они проводят ток только в одном направлении. Следовательно, если необходимо использовать их в цепях переменного тока, приходится применять встречно-параллельное включение. Действующие и средние значения тока могут изменяться из-за того, что момент подачи сигнала на тиристоры различный. При этом мощность тиристора должна соответствовать минимальным требованиям.

Фазовый метод управления

При фазовом методе управления с коммутацией принудительного типа происходит регулировка нагрузки благодаря изменению углов между фазами. Искусственную коммутацию можно осуществить при помощи специальных цепей, либо же необходимо использовать полностью управляемые (запираемые) тиристоры. На их основе, как правило, изготавливают устройство зарядное на тиристоре, которое позволяет регулировать силу тока в зависимости от уровня зарядки аккумуляторной батареи.

Широтно-импульсное управление

Называют еще его ШИМ-модуляцией. Во время открытия тиристоров подается сигнал управления. Переходы открыты, а на нагрузке имеется некоторое напряжение. Во время закрытия (в течение всего переходного процесса) не подается сигнал управления, следовательно, тиристоры не проводят ток. При осуществлении фазового управления токовая кривая не синусоидальна, происходит изменение формы сигнала напряжения питания. Следовательно, происходит также нарушение работы потребителей, которые чувствительны к высокочастотным помехам (появляется несовместимость). Несложную конструкцию имеет регулятор на тиристоре, который без проблем позволит изменить необходимую величину. И не нужно применять массивные ЛАТРы.

Тиристоры запираемые

Тиристоры – это очень мощные электронные ключи, используются для коммутации высоких напряжений и токов. Но есть у них один огромный недостаток – управление неполное. А если конкретнее, то это проявляется тем, что для отключения тиристора нужно создавать условия, при котором прямой ток будет снижаться до нуля.

Именно эта особенность накладывает некоторые ограничения на использование тиристоров, а также усложняет схемы на их основе. Чтобы избавиться от такого рода недостатков, были разработаны специальные конструкции тиристоров, которые запираются сигналом по одному электроду управления. Их называют двухоперационными, или запираемыми, тиристорами.

Конструкция запираемого тиристора

Четырехслойная структура р-п-р-п у тиристоров имеет свои особенности. Они придают им отличия от обычных тиристоров. Речь сейчас идет о полной управляемости элемента. Вольт-амперная характеристика (статическая) при прямом направлении такая же, как и у простых тиристоров. Вот только прямой ток тиристор может пропускать куда больший по значению. Но функции блокировки больших обратных напряжений у запираемых тиристоров не предусмотрено. Поэтому необходимо соединять его встречно-параллельно с полупроводниковым диодом.

Характерная особенность запираемого тиристора – это значительное падение прямых напряжений. Чтобы произвести отключение, следует осуществить подачу на управляющий вывод мощного импульса тока (отрицательного, в соотношении 1:5 к прямому значению тока). Но только длительность импульса должна быть как можно меньшей – 10... 100 мкс. Запираемые тиристоры обладают более низким значением предельного напряжения и тока, нежели обычные. Разница составляет примерно 25-30 %.

Виды тиристоров

Выше были рассмотрены запираемые, но существует еще немало типов полупроводниковых тиристоров, о которых также стоит упомянуть. В самых различных конструкциях (зарядные устройства, переключатели, регуляторы мощности) используются определенные типы тиристоров. Где-то требуется, чтобы управление проводилось путем подачи потока света, значит, используется оптотиристор. Его особенность заключается в том, что в цепи управления используется кристалл полупроводника, чувствительный к свету. Параметры тиристоров различны, у всех свои особенности, характерные только для них. Поэтому нужно хотя бы в общих чертах представлять, какие виды этих полупроводников существуют и где они могут применяться. Итак, вот весь список и основные особенности каждого типа:

1. Диод-тиристор. Эквивалент этого элемента – тиристор, к которому подключен встречно-параллельно полупроводниковый диод.
2. Динистор (диодный тиристор). Он может переходить в состояние полной проводимости, если превышается определенный уровень напряжения.
3. Симистор (симметричный тиристор). Его эквивалент – два тиристора, включенных встречно-параллельно.
4. Тиристор инверторный быстродействующий отличается высокой скоростью коммутации (5... 50 мкс).
5. Тиристоры с управлением полевым транзистором. Часто можно встретить конструкции на основе МОП-транзисторов.
6. Оптические тиристоры, которые управляются потоками света.

Осуществление защиты элемента

Тиристоры – это приборы, которые критичны к скоростям нарастания прямого тока и прямого напряжения. Для них, как и для полупроводниковых диодов, характерно такое явление, как протекание обратных токов восстановления, которое очень быстро и резко падает до нулевого значения, усугубляя этим вероятность возникновения перенапряжения. Это перенапряжение является следствием того, что резко прекращается ток во всех элементах схемы, которые имеют индуктивность (даже сверхмалые индуктивности, характерные для монтажа – провода, дорожки платы). Для осуществления защиты необходимо использовать разнообразные схемы, позволяющие в динамических режимах работы защититься от высоких напряжений и токов.

Как правило, индуктивное сопротивление источника напряжения, который входит в цепь работающего тиристора, имеет такое значение, что его более чем достаточно для того, чтобы в дальнейшем не включать в схему некоторую дополнительную индуктивность. По этой причине в практике чаще используется цепочка формирования траектории переключения, которая значительно снижает скорость и уровень перенапряжения в схеме при отключении тиристора. Емкостно-резистивные цепочки наиболее часто используются для этих целей. Они включаются с тиристором параллельно. Имеется довольно много видов схемотехнических модификаций таких цепей, а также методик их расчетов, параметров для работы тиристоров в различных режимах и условиях. А вот цепь формирования траектории переключения запираемого тиристора будет такая же, как и у транзисторов.

fb.ru

7.2. Диодные и триодные тиристоры

В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины – напряжения включения (Uвкл), являющейся параметром прибора.

В триодных тиристорах (тринисторах) управление состоянием прибора производится по цепи третьего – управляющего электрода.

Устройство тиристора с управляющим электродом показано на рис. 7.2. Тиристор имеет структуру p1-n1-p2-n2 c тремя p-n-переходами (П1- П3).

Рис. 7.2. Устройство тиристора с управляющим электродом

Исходным материалом для изготовления тиристора является кремниевая пластина n-типа. Сначала путем диффузии акцепторной примеси с обеих сторон создают транзисторную структуру p1-n1-p2. Затем, после локальной обработки поверхности слоя p2, вносят донорную примесь в этот слой для получения четвертого n2-слоя.

Рассмотрим структурную схему тиристора при приложении напряжений обратной и прямой полярности и его ВАХ (рис. 7.3, 7.4).

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления Iу = 0. Обратному напряжению соответствует полярность, указанная на рис. 7.3 без скобок. При приложении обратного напряжения Uобр переходы П1 и П3 закрыты, П2 – открыт. Падение напряжения на переходе П2 мало, поэтому можно предположить, что обратное напряжение Uобр распределяется равномерно между переходами П1 и П3.

Рис. 7.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Рис. 7.4. Структурная схема тиристора при приложении напряжений

обратной и прямой полярности

При изготовлении тиристоров концентрация примесей в слоях p2 и n2 делается намного выше концентрации примесей в слоях p1 и n1, поэтому переход П3 получается узким. С приложением обратного напряжения переход П3 вступает в режим электрического пробоя при напряжении, меньшем рабочего напряжения тиристора, то есть обратное напряжение приложено по существу к переходу П1.

Обратная ветвь ВАХ тиристора представляет собой обратную ветвь ВАХ перехода П1 или диода (рис. 7.3). Именно на переходе П1 решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжений (создание лавинного тиристора).

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ. При приложении прямого напряжения переходы П1 и П3 открыты, переход П2 закрыт.

Рассмотрим работу тиристора при токе управления Iу = 0. Этот режим соответствует работе тиристора в режиме динистора.

Для рассмотрения принципа работы тиристора воспользуемся двухтранзисторной аналогией. На рис. 7.4 можно представить структуру p1-n1-p2 в виде транзистора VT1, а структуру n2-p2-n1 в виде транзистора VT2. При этом переходы П1 и П3 будут являться эмиттерными переходами двух транзисторов, а переход П2 будет являться общим коллекторным переходом для обоих транзисторов. Через эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 будут протекать токи Iэ1 и Iэ2, а коэффициенты передачи этих токов – α1 и α2.

Из-за большого сопротивления перехода П2 тиристор находится в закрытом состоянии.

Чтобы открыть тиристор необходимо сбалансировать потенциальный барьер на границе слоев n1 и p2. Под действием прямых напряжений через эмиттерные переходы (П1 и П3) происходит инжекция основных носителей заряда в соответствующие базы транзисторов n1 и p2. В транзисторе VT2 электроны из эмиттера (слой n2) переходят в базу (слой p2), где становятся неосновными носителями. Часть этих электронов рекомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор n1, где создается избыточный отрицательный заряд. Аналогично дырки создают в слое p2 избыточный положительный заряд.

Однако, за счет обратного напряжения на переходе П2 в области n1 имеется положительный заряд, а в области p2 – отрицательный, образующие потенциальный барьер. Избыточные электроны в слое n1 и дырки в слое p2, накапливаясь, создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер. Чем больше напряжение Uпр, тем больше это поле, и в результате оно может полностью компенсировать потенциальный барьер, при этом Uпр достигнет значения напряжения включения Uвкл. Ток тиристора резко возрастет, тиристор откроется, его ВАХ будет идентична ВАХ диода. Сопротивление перехода П2 станет незначительным (как у переходов П1 и П3). На рис. 7.3 значение напряжения включения Uвкл соответствует значению в точке а.

Процесс скачкообразного переключения тиристора из закрытого состояния в открытое можно еще весьма просто объяснить математически.

Коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 определяются следующим образом:

Iк1 = 1Iэ1;

Iк2 = 2Iэ2. (7.1)

Через коллекторный переход течет еще обратный ток этого перехода – Iко – тепловой ток. Таким образом, результирующий ток коллекторного перехода будет равен:

Iкол = Iк1 + Iк2 + Iко = 1Iэ1 + 2Iэ2 + Iко. (7.2)

Все переходы в тиристоре соединены последовательно и тиристор имеет два силовых вывода, поэтому результирующий ток будет равен:

IА = Iк = Iэ1 = Iэ2. (7.3)

Из выражения (7.2) с учетом (7.3) можно определить ток анода:

. (7.4)

При малых токах 1 и 2 значительно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответствии с выражением (7.4) ток IА получается сравнительно небольшим. С увеличением тока 1 и 2 растут, и это приводит к возрастанию тока IА. При некотором токе, являющимся током включения Iвкл, сумма 1 + 2 становится равной единице и ток IА возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки Rн (участок б-в на рис. 7.3). Именно такое стремление тока IА неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, то есть на отпирание тиристора.

При отсутствии тока управления Iу тиристор будет всегда открываться при напряжении включения Uвкл (точка а на рис. 7.3), но он неуправляем, т.е. работает в режиме динистора.

В ряде случаев динистор используется в электрических цепях в качестве разрядника, например для защиты вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов электроподвижного состава. Работа его заключается в следующем: при возникновении перенапряжения и соответствующем пробое динистора вентильная обмотка преобразовательного трансформатора закорачивается, но аварийное перенапряжение при этом не пропускается на нагрузку.

Недостатком динисторов является большое значение напряжения включения Uвкл при протекании больших токов.

Создав третий электрод можно управлять моментом открытия тиристора. Такой тиристор (трехэлектродный) называется тринистором.

С увеличением напряжения управления + Uупр возрастает значение тока управления Iу. Ток управления приводит к движению электронов из области n2 в область p2. Для области p2 электроны – неосновные носители заряда, для них поле перехода П2 действует втягивающее (экстракция). Эти электроны усиливают компенсацию объемного положительного заряда и тиристор открывается при значении прямого напряжения Uпр меньшем, чем значение напряжения включения Uвкл. У тиристора растет значение 2, сумма 1 + 2 стремится к единице при напряжении Uпр < Uвкл. Значения тока Iу – единицы миллиампер, при этом значения тока IА достигает десятков и сотен ампер. На рис. 7.3 точки г, д, е, ж соответствуют различным сочетаниям значений Uвкл и Iу (Uвкл1 и Iу1; Uвкл2 и Iу2 и т.д.). Существует значение тока управления, при котором тиристор открывается сразу – ток управления спрямления. При этом ВАХ тиристора вырождается в ВАХ диода.

Тиристор – частично управляемый вентиль, так как можно управлять только моментом его открытия, тиристор не может закрыться при уменьшении Iу, а закроется при условии, что ток анода IА будет меньше тока удержания Iуд.

studfiles.net

7.2. Диодные и триодные тиристоры

В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины – напряжения включения (Uвкл), являющейся параметром прибора.

В триодных тиристорах (тринисторах) управление состоянием прибора производится по цепи третьего – управляющего электрода.

Устройство тиристора с управляющим электродом показано на рис. 7.2. Тиристор имеет структуру p1-n1-p2-n2 c тремя p-n-переходами (П1- П3).

Рис. 7.2. Устройство тиристора с управляющим электродом

Исходным материалом для изготовления тиристора является кремниевая пластина n-типа. Сначала путем диффузии акцепторной примеси с обеих сторон создают транзисторную структуру p1-n1-p2. Затем, после локальной обработки поверхности слоя p2, вносят донорную примесь в этот слой для получения четвертого n2-слоя.

Рассмотрим структурную схему тиристора при приложении напряжений обратной и прямой полярности и его ВАХ (рис. 7.3, 7.4).

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления Iу = 0. Обратному напряжению соответствует полярность, указанная на рис. 7.3 без скобок. При приложении обратного напряжения Uобр переходы П1 и П3 закрыты, П2 – открыт. Падение напряжения на переходе П2 мало, поэтому можно предположить, что обратное напряжение Uобр распределяется равномерно между переходами П1 и П3.

Рис. 7.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Рис. 7.4. Структурная схема тиристора при приложении напряжений

обратной и прямой полярности

При изготовлении тиристоров концентрация примесей в слоях p2 и n2 делается намного выше концентрации примесей в слоях p1 и n1, поэтому переход П3 получается узким. С приложением обратного напряжения переход П3 вступает в режим электрического пробоя при напряжении, меньшем рабочего напряжения тиристора, то есть обратное напряжение приложено по существу к переходу П1.

Обратная ветвь ВАХ тиристора представляет собой обратную ветвь ВАХ перехода П1 или диода (рис. 7.3). Именно на переходе П1 решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжений (создание лавинного тиристора).

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ. При приложении прямого напряжения переходы П1 и П3 открыты, переход П2 закрыт.

Рассмотрим работу тиристора при токе управления Iу = 0. Этот режим соответствует работе тиристора в режиме динистора.

Для рассмотрения принципа работы тиристора воспользуемся двухтранзисторной аналогией. На рис. 7.4 можно представить структуру p1-n1-p2 в виде транзистора VT1, а структуру n2-p2-n1 в виде транзистора VT2. При этом переходы П1 и П3 будут являться эмиттерными переходами двух транзисторов, а переход П2 будет являться общим коллекторным переходом для обоих транзисторов. Через эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 будут протекать токи Iэ1 и Iэ2, а коэффициенты передачи этих токов – α1 и α2.

Из-за большого сопротивления перехода П2 тиристор находится в закрытом состоянии.

Чтобы открыть тиристор необходимо сбалансировать потенциальный барьер на границе слоев n1 и p2. Под действием прямых напряжений через эмиттерные переходы (П1 и П3) происходит инжекция основных носителей заряда в соответствующие базы транзисторов n1 и p2. В транзисторе VT2 электроны из эмиттера (слой n2) переходят в базу (слой p2), где становятся неосновными носителями. Часть этих электронов рекомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор n1, где создается избыточный отрицательный заряд. Аналогично дырки создают в слое p2 избыточный положительный заряд.

Однако, за счет обратного напряжения на переходе П2 в области n1 имеется положительный заряд, а в области p2 – отрицательный, образующие потенциальный барьер. Избыточные электроны в слое n1 и дырки в слое p2, накапливаясь, создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер. Чем больше напряжение Uпр, тем больше это поле, и в результате оно может полностью компенсировать потенциальный барьер, при этом Uпр достигнет значения напряжения включения Uвкл. Ток тиристора резко возрастет, тиристор откроется, его ВАХ будет идентична ВАХ диода. Сопротивление перехода П2 станет незначительным (как у переходов П1 и П3). На рис. 7.3 значение напряжения включения Uвкл соответствует значению в точке а.

Процесс скачкообразного переключения тиристора из закрытого состояния в открытое можно еще весьма просто объяснить математически.

Коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 определяются следующим образом:

Iк1 = 1Iэ1;

Iк2 = 2Iэ2. (7.1)

Через коллекторный переход течет еще обратный ток этого перехода – Iко – тепловой ток. Таким образом, результирующий ток коллекторного перехода будет равен:

Iкол = Iк1 + Iк2 + Iко = 1Iэ1 + 2Iэ2 + Iко. (7.2)

Все переходы в тиристоре соединены последовательно и тиристор имеет два силовых вывода, поэтому результирующий ток будет равен:

IА = Iк = Iэ1 = Iэ2. (7.3)

Из выражения (7.2) с учетом (7.3) можно определить ток анода:

. (7.4)

При малых токах 1 и 2 значительно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответствии с выражением (7.4) ток IА получается сравнительно небольшим. С увеличением тока 1 и 2 растут, и это приводит к возрастанию тока IА. При некотором токе, являющимся током включения Iвкл, сумма 1 + 2 становится равной единице и ток IА возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки Rн (участок б-в на рис. 7.3). Именно такое стремление тока IА неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, то есть на отпирание тиристора.

При отсутствии тока управления Iу тиристор будет всегда открываться при напряжении включения Uвкл (точка а на рис. 7.3), но он неуправляем, т.е. работает в режиме динистора.

В ряде случаев динистор используется в электрических цепях в качестве разрядника, например для защиты вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов электроподвижного состава. Работа его заключается в следующем: при возникновении перенапряжения и соответствующем пробое динистора вентильная обмотка преобразовательного трансформатора закорачивается, но аварийное перенапряжение при этом не пропускается на нагрузку.

Недостатком динисторов является большое значение напряжения включения Uвкл при протекании больших токов.

Создав третий электрод можно управлять моментом открытия тиристора. Такой тиристор (трехэлектродный) называется тринистором.

С увеличением напряжения управления + Uупр возрастает значение тока управления Iу. Ток управления приводит к движению электронов из области n2 в область p2. Для области p2 электроны – неосновные носители заряда, для них поле перехода П2 действует втягивающее (экстракция). Эти электроны усиливают компенсацию объемного положительного заряда и тиристор открывается при значении прямого напряжения Uпр меньшем, чем значение напряжения включения Uвкл. У тиристора растет значение 2, сумма 1 + 2 стремится к единице при напряжении Uпр < Uвкл. Значения тока Iу – единицы миллиампер, при этом значения тока IА достигает десятков и сотен ампер. На рис. 7.3 точки г, д, е, ж соответствуют различным сочетаниям значений Uвкл и Iу (Uвкл1 и Iу1; Uвкл2 и Iу2 и т.д.). Существует значение тока управления, при котором тиристор открывается сразу – ток управления спрямления. При этом ВАХ тиристора вырождается в ВАХ диода.

Тиристор – частично управляемый вентиль, так как можно управлять только моментом его открытия, тиристор не может закрыться при уменьшении Iу, а закроется при условии, что ток анода IА будет меньше тока удержания Iуд.

studfiles.net

Триодные и диодные тиристоры. Назначение, принцип действия.

Тиристор - это переключающий полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении. Этот радиоэлемент часто сравнивают с управляемым диодом и называют полупроводниковым управляемым вентилем.

Тиристор имеет три вывода, один из которых - управляющий электрод - используется для резкого перевода тиристора во включенное состояние.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают четыре основных свойства тиристора: тиристор, как и диод, проводит в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель; тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния. Тем не менее для возврата тиристора в выключенное (разомкнутое) состояние необходимо выполнить специальные условия; управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое, значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока; средний ток через нагрузку, включенную последовательно с тиристором, можно точно регулировать в зависимости от длительности сигнала на управляющем электроде. Тиристор при этом является регулятором мощности.

Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся четырех кремниевых слоев типа р и n. Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой представлен на рис. Крайнюю область р-структуры, к которой подключается положительный полюс источника питания, принято называть анодом, а крайнюю область n, к которой подключается отрицательный полюс этого источника, - катодом.

Свойства тиристора в закрытом состоянии В соответствии со структурой тиристора можно выделить три электронно-дырочных перехода и заменить тиристор эквивалентной схемой, как показано на рис.

Эта эквивалентная схема позволяет понять поведение тиристора с отключенным управляющим электродом. Если анод положителен по отношению к катоду, то диод D2 закрыт, что приводит к закрытию тиристора, смещенного в этом случае в прямом направлении. При другой полярности диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении, и тиристор также закрыт.

Принцип отпирания с помощью управляющего электрода

Эквивалентное представление структуры р-n-p-n в виде двух транзисторов показано на рис. Представление тиристора в виде двух транзисторов разного типа проводимости приводит к эквивалентной схеме, представленной на рис. Она наглядно объясняет явление отпирания тиристора. Зададим ток IGT через управляющий электрод тиристора, смещенного в прямом направлении (напряжение VAK положительное), как показано на рис. Так как ток IGT становится базовым током транзистора n-p-n, то ток коллектора этого транзистора равен B1xIGT, где B1 - коэффициент усиления по току транзистора Т1.

Этот ток одновременно является базовым током транзистора р-n-р, что приводит к его отпиранию. Ток коллектора транзистора Т2 составляет величину B1xB2xIGT и суммируется с током IGT, что поддерживает транзистор Т1 в открытом состоянии. Поэтому, если управляющий ток IGT достаточно велик, оба транзистора переходят в режим насыщения. Цепь внутренней обратной связи сохраняет проводимость тиристора даже в случае исчезновения первоначального тока управляющего электрода IGT, при этом ток анода (1А ) остается достаточно высоким.

Тиристор перейдет в закрытое состояние, если к управляющему электроду открытого тиристора не приложен никакой сигнал, а его рабочий ток спадет до некоторого значения, называемого током удержания (гипостатическим током). Отключение тиристора произойдет, в частности, если была разомкнута цепь нагрузки или напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого полупериода переменного напряжения питания). Когда тиристор работает при постоянном токе, отключение может быть произведено с помощью механического выключателя.Включенный последовательно с нагрузкой этот ключ используется для отключения рабочей цепи.

 

Билет3



infopedia.su

Диодные тиристоры (динисторы)

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 10Следующая ⇒

Диодный тиристор (рис. 5.1) – это тиристор, который имеет два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления. Основой наиболее простого из семейств тиристоров является четырехслойная полупроводниковая структура р-n-р-n-типа(рис. 5.2). Крайние области структуры называются эмиттерами, а центральные – базами. Электрод, присоединенный к р-эмиттеру,называют анодом (А), а электрод, присоединенный к n-эмиттеру – катодом (К). Базы тиристора отличаются толщиной и концентрацией примесных атомов.

При подаче на тиристор прямого напряжения т.е. положительного потенциала на анод, крайние р-n-переходы смещены в прямом направлении, средний переход смещен в обратном направлении. Большая часть прямого внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещён в обратном направлении, поэтому первый участок ВАХ тиристора (рис. 5.3) похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. С увеличением анодного напряжения, увеличивается прямое напряжение, и на эмиттерных переходах электроны, инжектированные из n-эмиттера в р-базу диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются его полем и попадают в n-базу.

Дальнейшему продвижению электронов препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода, поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной n-яме, образуют избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в n-базу.

Инжектированные из р-эмиттера дырки подхватываются полем коллекторного перехода и переходят в р-базу. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер левого эмиттерного перехода, т.е. в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току, т.е. увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Накопление зарядов в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить этот переход в прямом направлении, т.е. суммарное напряжение на коллекторном переходе будет уменьшаться. При Ua = Uвкл внутренняя положительная обратная связь вызывает лавинообразный процесс инжекции носителей заряда из эмиттеров, и коллекторный переход (КП) оказывается смещенным в прямом направлении. Сопротивление динистора уменьшается, а ток скачком увеличивается. При этом падение напряжения на динисторе резко уменьшается.

Таким образом, при подаче прямого напряжения на тиристор он может находится в двух состояниях: открытом и закрытом.

Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. Участок 1 (см. рис. 5.3) от значения U = 0 до напряжения включения U = Uвкл соответствует малым токам, т.е. за­крытому состоянию тиристора. В пределах этого участка дифференциальное сопротивление тиристора rдиф = dU / dI положи­тельно. В пределах участка 2 – 3 значение дифференциального сопротивления rдиф отрицательно. Увеличение тока вызывает умень­шение напряжения, что приводит к дальнейшему увеличению тока и т.д. Режим, соответствующий этому участку вольт-амперной ха­рактеристики, неустойчив.

Тиристор спонтанно переходит на участок 3 – 4 вольт-амперной характеристики, соответствующий откры­тому состоянию, при котором дифференциальное сопротивление вновь становится положительным. Этот участок имеет вид, аналогичный прямой ветви характеристики обычного диода.

Открытое состояние соответствует участку 3 – 4 (см. рис. 5.3). В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счёт проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах. Если ток уменьшить до некоторого значения, меньше удерживающего тока (Iуд), то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество носителей в базах, коллекторный переход сместиться в обратном направлении, тиристор закроется. Таким образом, Iуд – это минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Структуру тиристора можно представить в виде двух транзисторов (рис. 5.4). Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи:

,

где α1, α2 – статические коэффициенты передачи тока транзисторов; – это токи через 1-й, 2-й, 3-й р-n-переходы соответственно; – обратный ток коллекторного перехода, общий для обоих транзисторов.

Для двухэлектродной структуры (динистора) из-за необходимости выполнения баланса токов токи через все переходы должны быть равны между собой:

,

где Iа – ток через тиристор (анодный ток).

Тогда анодный ток через тиристор можно будет найти по выражению:

,

где α∑ = α1 + α2.

Последнее выражение представляет собой уравнение ВАХ динистора в закрытом состоянии. Статические коэффициенты передачи тока транзисторов увеличиваются с увеличением эмиттерного тока (рис. 5.5).

При достижении суммарным статическим коэффициентом значения, равного единице ( α∑ = 1), анодный ток через тиристор устремляется в бесконечность, т.е. происходит включение динистора. Поэтому в процессе переключения ток через динистор должен быть ограничен сопротивлением нагрузки. При обратном напряжении на тиристоре, т.е. при отрицательном потенциале на аноде, эмиттерные переходы смещены в обратном направлении, коллекторные в прямом, в этом случая условий для переключения тиристора нет.

Триодные тиристоры

Для переключения триодного тиристора (рис. 5.6) также необходимо накопление зарядов в базах. В тринисторе, к одной из баз, имеющей более высокую концентрацию примеси и меньшую толщину (обычно р-база), присоединяют управляющий электрод УЭ. Через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличить инжекцию носителей путём подачи положительного, относительно катода, напряжения на управляемый электрод. Поэтому тринистор можно переключить в необходимый момент времени, даже при небольшом анодном напряжении.

Управляющий электрод тринистора выполняет роль своеобразного «под­жигающего» электрода. Тогда баланс токов:

.

Из этого выражения следует, что напряжение включения тиристора зависит от тока управления. С увеличением тока управления, напряжение включения уменьшается.

Уп­равляющее действие электрода УЭ проявляется лишь в момент включения тринистора: закрыть прибор или изменить значение анодного тока, протекающего через открытый прибор, изменяя ток управления, невозможно. Исключение составля­ет специальный тип приборов – запираемые тиристоры, которые открываются положительным, а закрываются отрицательным сигналами на управляющем элек­троде.

Чтобы выключить тиристор необходимо создать условия, при которых исчезает заряд, накопленный в базах транзистора. Выключить открытый тринистор (рис. 5.7) можно, как и динистор, только сделав значение пря­мого тока меньше значения удерживающего тока (Iуд).

Способ открывания тринисторов током управляющего электрода имеет существенные достоинства, так как позволяет коммутировать большие мощности в нагрузке маломощным управляющим сигналом (коэффициент усиления по мощности составляет примерно 5·102..2·103).

Важной особенностью почти всех типов полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой является их способность работать в импульсных ре­жимах с токами, значительно превышающими допустимые постоянные токи в открытом состоянии. Так, например, динисторы КН102 при постоянном токе не более 0,2 А допускают импульсный ток до 10 А, тринисторы типов КУ203 и КУ216 способны пропускать импульсные токи до 100 А при допустимом посто­янном токе 5 А и т.д.

Читайте также:

lektsia.com

Тиристорный светодиод - Электротехника | solo-project.com

Светодиод с тиристорной структурой стал предметом анекдота, который гуляет по Интернету. Создаётся впечатление, что указанное устройство фантастично и с реальностью имеет мало общего.

Теоретические основы

Светодиод в стандартном исполнении представляет собой прибор с одним pn-переходом лежащего в основе полупроводника. Электромагнитное излучение различных спектров, в том числе и видимого, возникает при рекомбинации электронов и так называемых дырок во время течения тока в прямом направлении через pn-переход. Цвет излучаемого светодиодом света зависит от материала полупроводника. 

Тиристор это тоже полупроводниковый прибор, но со структурой переходов p-n-p-n. Если в светодиодах имеется один pn-переход, то в тиристорах их три. Технический смысл тиристорных устройств заключается в контроле поступления тока в узлы электрической цепи: триодные тиристоры пропускают ток только при поступлении на их управляющий вывод соответствующего сигнала. В отсутствие управляющего сигнала тиристоры препятствуют прохождению электрического тока. Существуют также двухконтактные тиристоры, называемый диодными или динисторами. В них pn-переход открывается только при достижении током определённого напряжения, а в ином случае он закрыт и представляет преграду для течения тока.

Может не представляться возможным совмещение тиристора и светодиода в одно излучающее устройство, однако группа учёных Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе ведёт разработки такого прибора. Некоторые их результаты были опубликованы в журнале «Физика и техника полупроводников» в 2007 году.

Особенности изучаемой тиристорной структуры

Тиристорный светодиод имеет особую структуру. Полупроводник n-p-n-p имеет в своём составе галлий, сурьму, индий, мышьяк и алюминий. В определённой n-области происходит активное излучение, максимум которого достигается с образованием волны длиной 1,95 микрометров. Учёные утверждают, что именно тиристорная структура является причиной увеличения оптической мощности созданного ими электрорадиоэлемента по сравнению с диодным устройством, производящим излучение волн в том же диапазоне. Важным результатом исследований свойств нового светодиода стало открытие соответствия его вольт-амперной характеристики тиристорной.

Применяя технологию изготовления тиристорных светодиодов, учёные хотят создать ИК-светодиоды с более эффективными излучающими характеристиками. В настоящий момент в светодиодах спектра 1,6–5,0 микрометров одной из основных проблем снижения излучения является утёчка дырок из активной области. В новом устройстве, как отмечается в статье, созданы оптимальные условия , необходимые для рекомбинации с излучением.

Другой особенностью светодиода с тиристорной структурой является возможность его работы в условиях больших токов, что является важным для использования во многих видах техники.

Регулирование режима работы СИДа тиристором

Сегодня работа системы светодиод – тиристор осуществляется в совсем другом виде, чем в лаборатории учёных. Для изменения параметров работы осветительных приборов со светоизлучающими диодами используются устройства-диммеры, в которых используются тиристоры, динисторы, симисторы. Диммеры соединяются с регулируемыми нагрузками последовательно и позволяют плавно изменять яркость свечения светодиодов за счёт изменения мощности цепи.

Таким образом, светодиод с тиристорной структурой не фантастика, а реальное достижение науки. Эффект использования pn-перехода именно тиристорной структуры позволил увеличить оптическую мощность устройства, что может быть важным при разработке новых устройств.

solo-project.com

---

• 
  Тип узо
• 
  Монтаж солнечных панелей
• 
  Электричество из газа
• 
  Скорость света это
• 
  Фаза электрическая это
• 
  Ток кз
• 
  Открытая проводящая часть
• 
  Поиск скрытой электропроводки в стене
• 
  Отличие дифавтомата от узо в чем разница
• 
  Отличие трансформатора от автотрансформатора
• 
  Отражение и преломление света