Чем транзистор отличается от тиристора: Что такое динистор и тиристор?

Что такое динистор и тиристор?

Что такое динистор и тиристор?  


  ♦     Тиристор – полупроводниковый прибор на основе монокристалла полупроводника с многослойной структурой типа p –n –p – n обладает свойствами управляемого электрического вентиля. В качестве полупроводника обычно применяют кремний.

   Обычно тиристор имеет три вывода: два из них (катод и анод) контактируют с крайними областями монокристалла, а третий вывод – управляющий. Такой управляемый тиристор называется иногда триодным, или тринистором.

   Неуправляемый тиристор, имеющий всего два вывода (анод — катод), называется диодным тиристором или динистором.

   Четырехслойная структура тиристора изображена на рис 1.

     На рисунке 2 — его транзисторный аналог.

   ♦      Вольт-амперная характеристика, ВАХ динистора, имеет вид на рисунке 3.

 

  Устойчивое состояние (точка D на ВАХ) достигается в результате перехода транзисторов тиристора в режим насыщения.

Падение напряжения на открытом динисторе — тиристоре составляет около 1,5 – 2,0 вольта.

    Если на анод подать положительное напряжение относительно катода, то крайние электронно-дырочные переходы П1 и П3 оказываются смещенными в прямом направлении, а центральный переход П2 в обратном.

    С увеличением анодного напряжения , ток через динистор сначала растет медленно (участок А — В на ВАХ). Сопротивление перехода П2 , в этом режиме еще велико, это соответствует запертому состоянию динистора.

   При некотором значении напряжения (участок В — С на ВАХ). называемым напряжением переключения Uпер (напряжение лавинного пробоя перехода П2), динистор переходит в проводящее состояние.   
В цепи устанавливается ток (участок D – E на ВАХ), определяемый сопротивлением внешней цепи Rн и величиной приложенного напряжения U (рис 2).
Напряжение пробоя динистора, в зависимости от экземпляра, изменяется в широких пределах и имеет значения порядка десятков и сотен вольт.  
На вольт – амперной характеристике,

ВАХ (рис 3.), обозначены участки: 
 — А – В участок в прямом включении, здесь динистор заперт и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения лавинного пробоя;
 — В – С участок пробоя коллекторного перехода;
 — C — D участок отрицательного сопротивления;
— D — E участок открытого состояния динистора (динистор включен).

    Динистор имеет два устойчивых состояния:
— заперт (А – В)
— открыт (D — E)

 В участке A – D – E явно просматривается кривая ВАХ диода.

♦     Тиристор имеющий три электрода – анод, катод и управляющий электрод – называется тринистором или просто тиристором.    Четырех слойная структура типа p – n – p – n является единой для тиристора – динистора. Просто, у динистора отсутствует дополнительный вывод управляющего электрода.   
При подаче тока в цепь управляющего электрода, тиристор переключается в открытое состояние при меньших значениях напряжения переключения Uпер.   
Если каким-то образом уменьшать ток, проходящий через динистор — тиристор, то при некотором его значении (точка D на ВАХ

) тиристор закроется.Минимальный ток, при котором тиристор — динистор переходит из открытого в закрытое состояние (при токе управляющего электрода Iу =0) называется током удержания Iуд.   
Если через управляющий электрод тиристора пропустить отпирающий ток, то тиристор перейдёт в открытое состояние.   Включение транзисторного аналога тиристора (рис 2) можно осуществить по двум входам: между электродами (Э1 –Б1), либо между электродами (Э2 – Б2).

 ♦    Вольтамперная характеристика тиристора (Рис 4), похожа на вольтамперную характеристику динистора.    

Однако отпирание тиристора обычно происходит при существенно более низком  напряжении, чем необходимо динистору. К раннему открыванию тиристора приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода от Iy1 до Iy4, тем при более низком  напряжении Ua тринистор перейдёт в открытое состояние. Это отражено на вольтамперной характеристике тиристора.

 ♦    Тиристоры изготавливают на разные мощности: маломощные (ток 50 мА. – 100 мА), средней мощности (ток до 20 ампер) и большой мощности (токи 20 – 10000 ампер) и величины напряжения от нескольких вольт до 10 тысяч вольт.

 ♦    По назначению и принципу действия тиристоры делятся на: запираемые, быстродействующие, импульсные, симметричные и фототиристоры.   Тиристор и динистор пропускают ток только в одном направлении –

от анода к катоду.

 ♦     В настоящее время появились двунаправленные динисторы (пропускают ток в обоих направлениях) и двунаправленные тиристоры (симисторы).

 

    Симистор имеет в своем составе как бы два тиристора, включенных встречно, с управлением от одного управляющего электрода.ВАХ (вольт — амперная характеристика) симистора представлена на рис 5.
Она имеет две одинаковые ветви. При положительном полупериоде сетевого напряжения действует правая ветвь, при отрицательном полупериоде – левая.

На управляющий электрод, относительно катода, также подается соответственно то положительное, то отрицательное управляющее напряжение. В схемах управления, симистор может заменить два тиристора.

   ♦     Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.   
Наличие двух устойчивых состояний (включен — выключен), а также низкая мощность рассеяния тиристора, обусловили широкое использование их в различных устройствах.    
Тиристоры применяются в регулируемых источниках питания, генераторах мощных импульсов, в линиях передачи энергии постоянного тока, в системах автоматического управления и т.

д.

    Внешний вид тиристора и его обозначение на схемах:

  

    Симисторы нашли широкое применение в устройствах регулирования скорости вращения электродвигателей, в системах регулирования освещения, в электронагревателях, в преобразовательных установках.

    Внешний вид симистора такой же как и у обычного тиристора.

Тиристоры с полевым управлением

Добавлено 8 ноября 2018 в 23:22

Сохранить или поделиться

Две сравнительно недавние технологии, предназначенные для снижения требований к «управлению» (к отпирающему току управляющего электрода) классическими тиристорными устройствами, – это тиристор с МОП управляющим электродом (MOS-gated thyristor, MGT) и МОП-управляемый тиристор (MOS Controlled Thyristor, MCT).

Тиристор с МОП управляющим электродом использует MOSFET транзистор для инициирования проводимости тока через верхний (PNP) транзистор стандартной тиристорной структуры, тем самым отпирая устройство. Поскольку MOSFET транзистор для «запуска» (приводящего к его насыщению) требует незначительного тока, это делает тиристор в целом очень простым для запуска (рисунок ниже).

Эквивалентная схема тиристора с МОП управляющим электродом

Учитывая тот факт, что обычные SCR тиристоры довольно легко «запускать» как есть, то практическое преимущество использования еще более чувствительного устройства (MOSFET) для инициирования запуска является спорным решением. Кроме того, размещение MOSFET транзистора на входном управляющем электроде делает невозможным отключение (запирание) тиристора с помощью сигнала обратного переключения. Только сброс из-за малого тока сможет привести к тому, чтобы это устройство перестало проводить ток после того, как было отперто.

Возможно, более высокое значение имело бы устройство, которое было бы полностью управляемым тиристором, в результате чего малый сигнал управляющего электрода мог бы запускать тиристор и заставлять его запираться. Такое устройство действительно существует, и оно называется

МОП-управляемым тиристором (MOS Controlled Thyristor, MCT). Он использует пару MOSFET транзисторов, подключенных к общему управляющему электроду, один для отпирания тиристора, а другой для запирания (рисунок ниже).

Эквивалентная схема МОП-управляемого тиристора (MCT тиристора)

Положительное напряжение на управляющем электроде (относительно катода) открывает верхний (N-канальный) MOSFET транзистор, пропускающему ток через базу верхнего (PNP) транзистора, который фиксирует транзисторную пару в «открытом» состоянии. Как только оба транзистора будут полностью открыты, падение напряжения между анодом и катодом будет маленьким, и тиристор останется отпертым до тех пор, пока управляемый ток превышает минимальное (удерживающее) значение тока. Однако если к управляющему электроду приложить отрицательное напряжение (относительно анода, на котором напряжение почти такое же, как на катоде в отпертом состоянии), нижний MOSFET транзистор откроется и «замкнет» выводы базы и эмиттера нижнего (NPN) транзистора, тем самым вынуждая его уйти в режим отсечки. Как только NPN транзистор закроется, PNP транзистор выйдет из режима проводимости, и весь тиристор запрется.

Напряжение управляющего электрода имеет полный контроль над проводимостью MCT тиристора, чтобы включать его и выключать.

Однако это устройство всё еще является тиристором. Если между управляющим электродом и катодом подается нулевое напряжение, ни один MOSFET транзистор не откроется. Следовательно, пара биполярных транзисторов останется в том состоянии, в котором она была до этого (гистерезис). Таким образом, короткий положительный импульс на управляющем электроде отопрет MCT тиристор, короткий отрицательный импульс заставит его запереться, а отсутствие напряжения на управляющем электроде позволяет MCT тиристору оставаться в любом состоянии, в котором он уже находился. По сути, MCT тиристор является фиксируемой версией IGBT транзистора (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Резюме

  • Тиристор с МОП управляющим электродом использует N-канальный MOП-транзистор для отпирания тиристора, что приводит к требованию чрезвычайно низкого тока управляющего электрода.
  • МОП-управляемый тиристор использует два MOSFET транзистора для полного управления тиристором. Положительное напряжение управляющего электрода опирает устройство; отрицательное напряжение управляющего электрода заставляет его запереться. Нулевое напряжение на управляющем электроде позволяет тиристору оставаться в любом состоянии, в котором он был ранее (заперт или отперт).

Оригинал статьи:

Теги

MCT (МОП-управляемый тиристор)MGT (тиристор с МОП управляющим электродом)MOSFET / МОП транзисторОбучениеТиристорЭлектроника

Сохранить или поделиться

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.


Типы тиристоров и принцип действия — Студопедия

Тиристор — это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с тремя или более p-n-переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Вольт-амперная характеристика тиристора имеет участок отрицательного сопротивления. При включении в цепь переменного тока тиристор открывается, пропуская ток в нагрузку при достижении мгновенным значением напряжения определённого уровня, либо при подаче отпирающего напряжения на управляющий электрод.

Основными типами являются диодные (рисунок 2.27, а) и триодные (рисунок 2.27, б — г) тиристоры.

Перевод прибора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на него. К числу факторов, наиболее широко используемых для отпирания тиристоров, относится воздействие напряжением (током) или светом (фототиристоры, рисунок 2.27, г).

В диодных тиристорах (динисторах или неуправляемых тиристорах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины, являющейся параметром прибора. В триодных тиристорах управление состоянием прибора производится по цепи третьего — управляющего электрода. По цепи


а — динистор; б — однооперационный тиристор; в — двухоперационный тиристор; г — фототиристор; д — симистор

Рисунок 2.27 — Условные графические обозначения тиристоров

управляющего электрода при этом могут выполняться либо одна, либо две операции изменения состояния тиристора. В зависимости от этого различают одно- и двухоперационные тиристоры.

В однооперационных тиристорах (см. рисунок. 2.27, б) по цепи управляющего электрода осуществимо только отпирание тиристора. С этой целью на управляющий электрод подается положительный относительно катода импульс напряжения. Запирание однооперационного тиристора, а также динистора производится по цепи анода изменением полярности напряжения анод — катод. Двухоперационные тиристоры допускают как отпирание, так и запирание прибора по цепи управляющего электрода. Для запирания на управляющий электрод подается отрицательный импульс напряжения. В фототиристорах (см. рисунок 2.27, г) отпирание прибора производится с помощью светового импульса.

Все перечисленные приборы выполняют функцию бесконтактного ключа с односторонней проводимостью тока. Прибор, проводящий ток в обоих направлениях, называют симметричным тиристором (симистором). По своему назначению симистор (см. рисунок 2.27, д) призван выполнять функции двух обычных тиристоров включенных встречнопараллельно.


Анализ принципа действия указанных типов тиристоров проведем на примере достаточно подробного рассмотрения работы однооперационного тиристора (см. рисунок 2.27, б), как наиболее распространенного, а для других типов покажем их особенности.

Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру типа р-п-р-п с тремя р-п-переходами (рисунок 2.28), в которой р1слой выполняет функцию анода, а п2-слой — катода.

Рисунок 2.28 — Полупроводниковая структура тиристора

Управляющий электрод связан с р2-слоем структуры. Основной материал в производстве тиристоров — кремний. Четырехслойная структура обычно создается по диффузионной технологии. Исходным материалом является кремниевая пластина п-типа толщиной 70…600 мкм (в зависимости от типа тиристора).

Сначала методом диффузии акцептор-

ной примеси с обеих сторон пластины создают транзисторную структуру типа р1-п12. Затем после локальной обработки поверхности р2-слоя вносят донорную примесь в р2-слой для получения четвертого п2-слоя.

Для удобства изучения процессов, протекающих в тиристоре, представим его в виде структуры, изображенной на рисунке 2.29. Рассмотрение проведем с помощью вольт-амперной характеристики тиристора (рисунок 2.30) при включении внешних напряжений в соответствии с рисунком 2.29.

Рисунок 2.29 — Составляющие токов в тиристоре при включении внешних напряжений

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления Iу = 0. Обратному напряжению тиристора (Е < О, Uак < 0) соответствует подключение внешнего напряжения отрицательным полюсом к аноду и положительным — к катоду. Полярность напряжения на тиристоре и его распределение по переходам структуры показаны

на рисунке 2.29 без скобок. Приложение обратного напряжения к тиристору вызывает смещение среднего перехода П2 в прямом направлении, а двух крайних переходов П1 и П3 — в обратном. Переход П2 открыт, и падение напряжения на нем мало. Поэтому можно предположить, что обратное напряжение Ub распределяется главным образом по переходам П1 и П3. Однако, в процессе изготовления тиристора обеспечивается достаточно высокая концентрация примеси в р2— и п2-слоях по сравнению с концентрацией в слоях р1 и п1, и переход П3 получается узким. С приложением обратного напряжения переход П3 вступает в режим электрического пробоя при напряжении, существенно меньшем рабочих напряжений Ub. Обратное напряжение, по существу, прикладывается к переходу П1, т. е. обратная ветвь вольт-амперной характеристики тиристора (рисунок 2.30) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики перехода П1.

Таким образом, способность тиристора выдерживать обратное напряжение возлагается на р-п-переход П1. Проведенный ранее анализ обратной ветви вольт-амперной характеристики диода целиком применим к этому р-п-переходу. В частности, здесь аналогично решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжений.

Проанализируем поведение тиристора при подведении к нему напряжения в прямом направлении (Е > О, Uак > 0). Полярность внешнего напряжения на тиристоре и переходах структуры показана на рисунке 2.29 в

скобках. Крайние переходы П1, П3 смещаются в прямом направлении, а средний переход П2 — в обратном. В связи с этим напряжение на приборе оказывается приложенным практически к переходу П2. Вначале рассмотрим случай отсутствия тока управления
(Iу = 0). Этот режим, как и предыдущий, справедлив и для динистора.

Анализ процессов в тиристоре при Uак > 0 удобно прово-

Рисунок 2.30 — Вольт-амперная характеристика тиристора

дить, воспользовавшись так называемой двухтранзисторной аналогией. При наличии на тиристоре напряжения в прямом направлении его можно представить в виде двух транзисторов типов р-п-р и п-р-п: транзистора T1 типа р1-n1-p2 и транзистора Т2 типа n22-п1(см. рисунок 2.29). Эмиттерным переходом для первого транзистора является переход П1, для второго транзистора Т2 — переход П3. Переход П2 служит общим коллекторным переходом обоих транзисторов. При этом полярность напряжений на переходах соответствует той, какая требуется для работы обоих транзисторов в усилительном режиме: эмиттерные переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Представив тиристор в виде сочетания транзистора Т1 с коэффициентом передачи тока α1 и током эмиттера IЭ1 и транзистора Т2 с коэффициентом передачи тока α2 и током эмиттера IЭ2, нетрудно показать составляющие тока в приборе (см. рисунок 2.29). Составляющая (1 — α1) IЭ1 — это ток базы транзистора Т1, составляющая α1IЭ1 — ток коллектора этого транзистора. Токи транзистора Т1 обусловлены главным образом движением дырок через п1базу. В транзисторе Т2 ток переносится в основном электронами (пунктирные стрелки на рисунке 2.29). Его составляющие (показаны на рисунке 2.29 сплошными линиями) представляют собой: (1 — α2)IЭ2 — ток базы, α2IЭ2 ток коллектора. Поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении, через него протекают также составляющие, обусловленные неосновными носителями заряда: дырки п1-области создают ток Iкр, электроны р2-области — ток Iкп. Токи Iкр и Iкп образуют суммарный ток Iк (см. рисунок 2.29).

Одним из факторов, влияющих на прямую ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, является зависимость коэффициентов α1и α2 от тока. Примерный вид этой зависимости показан на рисунке 2.31.

Рисунок 2.31 – Зависимость коэффициентов α1и α2 от тока

Большее значение коэффициента α2 по сравнению с α1объясняется меньшей толщиной р2-базы по сравнению с п1-базой (см. рисунок 2.29). В связи с этим п1базу часто называют толстой, а р2-базу — тонкой. Требуемая зависимость коэффициентов α от тока создается в процессе изготовления приборов. Так, например, широко применяется шунтирование перехода П3, что приводит к уменьшению эффективности эмиттера транзистора Т2 и коэф-

фициента α2в области малых токов.

После выяснения составляющих токов тиристора и установления зависимости коэффициентов α от тока можно рассмотреть прямую ветвь вольт-амперной характеристики прибора (рисунок 2.30).

На начальном участке 0 — б, соответствующем малым значениям прямого напряжения Uа, ток Iа мал. Коэффициенты α1и α2 близки к нулю. Близки к нулю также составляющие токов α1 IЭ1и α2 IЭ2 перехода П2. Ток через переход П2, а следовательно, и ток через тиристор Iа будет равен току Iк, т. е. в данном случае будет определяться обратным (тепловым) током Iк0 перехода П2. Таким образом, начальный участок 0 — б прямой ветви вольт-амперной характеристики тиристора представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики р-п-перехода П2, смещенного в обратном направлении.

По мере роста анодного напряжения, а следовательно, и напряжения на коллекторном переходе увеличиваются ток Iк и анодный ток через тиристор. Причина возрастания тока Iк связана, как известно, с увеличением тока утечки по поверхности перехода и умножением в нем носителей заряда. Увеличение тока через прибор сопровождается повышением коэффициентов α1и α2. С некоторого значения тока Iа необходимо учитывать составляющие токов транзисторов α1 IЭ1и α2 IЭ2, протекающие через коллекторный переход. Вследствие того, что повышение напряжения Ua приводит к увеличению тока Iк, а также составляющих α1 IЭ1и α2 IЭ2, на вольт-амперной характеристике появляется участок б — в с более сильной зависимостью тока Iа от напряжения Uа.

Ток Ia можно найти, определив ток Iп2, протекающий через коллекторный переход:

Iп2 = α1 IЭ1 + α2 IЭ2 + Iк (2.10)

С учетом того, что в любом сечении прибора при Iу = 0 протекает один и тот же ток Iа (Iп2 = IЭ1 = IЭ2 = Iа) соотношение (2.10) приобретает вид

Iп2 = Iа = (α1 + α2 ) Iа + Iк (2.11)

откуда

(2.12)

Выражение (2.12) подтверждает наличие участков 0 — б и б — в на вольт-амперной характеристике тиристора. При малых напряжении Ua и токе Iа (участок 0 — б) сумма коэффициентов передачи тока α1 + α2 0, анодный ток Iа ≈ Iк. На участке б — в ток Iа возрастает за счет увеличения тока Iк и суммы α1 + α2, которая, однако, не достигает единицы на этом участке.

Точка в является граничной, в которой создаются условия для отпирания тиристора. Напряжение на приборе в точке в называется напряжением переключения Uпер.

Рассмотрим более подробно процесс перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (участок в — г). При этом объясним сущность двух явлений, связанных с отпиранием прибора: 1) уменьшение напряжения на переходе П2 и тиристоре; 2) действие внутренней положительной обратной связи в приборе, благодаря которой процесс имеет скачкообразный характер.

Причиной перехода тиристора из закрытого состояния в открытое является повышение роли составляющих α1 IЭ1и α2 IЭ2 и соответственно их суммы (α1+ α2) Iа в токе через переход П2 по сравнению с током Iк. По мере приближения к точке в увеличение тока через прибор происходит главным образом за счет составляющих α1 IЭ1и α2 IЭ2, а не за счет увеличения тока
Iк = Iк0, вызываемого повышением напряжения на переходе П2. В точке в роль составляющих α1 IЭ1и α2 IЭ2 и их суммы (α1+ α2) Iа столь значительна в балансе составляющих токов (2.11), протекающих через переход П2, что дальнейшее увеличение тока Iа возможно лишь за счет уменьшения тока Iк, а следовательно, уменьшения обусловливающего этот ток напряжения на переходе П2 и тиристоре Uа (отпирание прибора).

Уменьшение напряжения на переходе объясняется тем, что увеличение составляющих токов α1 IЭ1и α2 IЭ2 через переход П2 вызывает увеличение потока электронов в п1базу и дырок в р2-базу и соответственно появление в базах избыточных носителей заряда, снижающих потенциальный барьер коллекторного перехода. Одновременно с этим избыточные носители заряда в базах снижают потенциальные барьеры эмиттерных переходов П1 и П3, вызывая дополнительную инжекцию носителей заряда. Это приводит к еще большему возрастанию коэффициентов α1и α2и заполнению носителями зарядов обеих баз тиристора. В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному развитию процесса его отпирания.

Участок г — д соответствует открытому состоянию тиристора. В точке г напряжение на переходе П2 равно нулю, ток Iк = 0, сумма коэффициентов
α1+ α2 = 1. Ток через переход П2 равен сумме составляющих α1 Iэ1и α2 Iэ2 Напряжение на приборе Uа в точке г равно сумме напряжений на переходах П1 и П3, смещенных в прямом направлении.

При перемещении по кривой от точки г к точке д ток через тиристор возрастает, что увеличивает коэффициенты α1и α2, а также их сумму
(α1+ α2 > 1). Баланс составляющих токов через коллекторный переход достигается изменением полярности напряжения на переходе П2 («переполюсовка» коллекторного перехода на рисунке 2.29), вследствие чего ток Iк изменяет направление. Иными словами, коллекторный переход под действием избыточных зарядов — дырок в р2-базе и электронов в п1базе, создаваемых потоками носителей соответственно первого и второго транзисторов, переводится в проводящее состояние, обеспечивая встречную инжекцию носителей заряда (ток Iк теперь уже не является обратным током коллекторного перехода П2).

Таким образом, коллекторный ток Iк играет существенную роль в работе тиристора, обеспечивая баланс составляющих токов через коллекторный переход. Необходимая величина Iк устанавливается благодаря изменению напряжения на коллекторном переходе под действием зарядов, накапливаемых в базах тиристора.

На участке г — д все три р-п-перехода прибора находятся под прямым напряжением смещения. Напряжения на переходах П1, П3 противоположны по знаку напряжению на переходе П2. В связи с этим падение напряжения на приборе (0,75…1,5 В) примерно равно падению напряжения на одном переходе (как в диоде). Увеличение падения напряжения на тиристоре при движении по кривой от точки г к точке д объясняется повышением напряжения на переходах и ростом падения напряжения в слоях полупроводниковой структуры с увеличением тока.

Рассмотрим поведение тиристора при наличии тока управления (Iу > 0). С этой целью получим выражение для его анодного тока. При Iу > 0 также справедливо выражение (2.10), определяющее ток коллекторного перехода по его составляющим. Как и в предыдущем случае, Iп2 = Iэ1 = Iа, но в ток Iэ2 будет входить Iу, поэтому Iэ2 = Iа + Iу.

С учетом приведенных соотношений решение (2.10) относительно Iа дает

. (2.13)

В соответствии с выражением (2.13) ток управления приводит к более крутому нарастанию анодного тока. Это связано, во-первых, с наличием в числителе выражения (2.13) составляющей α2 Iу и, во-вторых, с большим значением коэффициента α2 вследствие возрастания тока Iэ2 на величину тока управления. Ввиду появления дополнительной составляющей α2 Iу в токе коллекторного перехода и повышения коэффициента α2 переключение тиристора из закрытого состояния в открытое происходит при меньшем напряжении на приборе (см. рисунок 2.30). Процесс, связанный с переходом тиристора из закрытого состояния в открытое, происходит при Iу > 0 подобно рассмотренному. Влияние тока Iу на вольт-амперную характеристику тиристора иллюстрируют участки кривых 0 — е и 0 — ж, показанные для двух значений тока управления Iу2 > Iу1.

При некотором значении тока управления участок закрытого состояния тиристора на прямой ветви вольт-амперной характеристики исчезает и характеристика приближается к прямой ветви вольт-амперной характеристики простого р-п-перехода (ветвь 0 – г — д). Наблюдается так называемое спрямление характеристики. Значение тока Iу, при котором происходит спрямление характеристики, определяет ток управления спрямления Iу.спр.

Тиристор как ключевой элемент нашел широкое применение в цепях постоянного и переменного токов. Рассмотренный режим работы, когда отпирание прибора следует после достижения на нем напряжения переключения Uпер (переключение по цепи анода), используется лишь в схемах с динисторами.

Для тиристора переключение по цепи анода представляет интерес лишь с точки зрения анализа принципа действия и вольт-амперной характеристики этого прибора. Практическое применение нашел режим отпирания по управляющему электроду, т. е. за счет подачи на управляющий электрод отпирающего импульса напряжения. Сущность этого режима отпирания тиристора заключается в следующем.

В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания Е меньше напряжения переключения тиристора Uпер. При Е > 0 рабочая точка тиристора расположена на прямой ветви вольт-амперной характеристики 0 — в. Через нагрузку и тиристор (см. рисунок 2.29) протекает малый ток, соответствующий рабочей точке на этой ветви. В требуемый момент времени подают импульс управления Еу, задавая необходимый для отпирания тиристора импульс тока управления, больший тока спрямления. Тиристор открывается, и рабочая точка переходит на ветвь г — д. Ток через тиристор и нагрузку находят теперь из соотношения Iа = Iн =
=(Е
Uа )/ Rн, где Uа — падение напряжения на тиристоре, определяемое рабочей точкой на ветви г — д. Задачу определения токов и напряжений удобно решать графически, построив линию, проходящую через точки с координатами (0; E / Rн) и (Е; 0) (см. рисунок 2.30). Координаты точек пересечения этой линии с вольт-амперной характеристикой определяют ток и напряжение на тиристоре в закрытом и открытом состояниях.

Тиристоры выпускаются на диапазон прямых токов от десятков миллиампер до нескольких сотен ампер и напряжения от десятков вольт до нескольких киловольт.

Тиристоры малой и средней мощности применяются в релейной и коммутационной аппаратуре. Их справочными параметрами по току служат допустимое значение среднего прямого тока или максимальный постоянный прямой ток. Параметром по напряжению этих тиристоров является максимально допустимое напряжение, которое определяется по наименьшему из значений прямого (Uпер при Iу = 0) и обратного напряжений, соответствующих началу крутого нарастания обратного тока.

Мощные тиристоры используются в системах преобразования электрической энергии. Параметры по току (Iп, Iрп, Iуд) и напряжению (Up, Uп, Uнп) у них те же, что и для мощных диодов. Параметры по напряжению указываются по наименьшему значению прямого и обратного напряжений. Мощные тиристоры выполняют с теплоотводом. Способы теплоотвода здесь те же, что и для мощных диодов. Подобным же образом решаются задачи последовательного и параллельного соединения тиристоров.

Из других наиболее существенных параметров необходимо указать обратный ток тиристора, напряжение и ток цепи управления, соответствующие переходу тиристора из закрытого состояния в открытое. Динамические параметры тиристора характеризуют время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (время включения tвк) и время восстановления запирающих свойств (время выключения tв).

Восстановление запирающих свойств осуществляется за счет приложения к тиристору обратного напряжения. Величина tв определяет время, в течение которого происходит полное рассасывание носителей заряда в базовых слоях ранее проводившего тиристора при приложении обратного напряжения, по окончании которого к прибору может быть вновь приложено напряжение в прямом направлении без опасения его самопроизвольного отпирания. Процесс восстановления запирающих свойств происходит за счет двух факторов: протекания обратного тока через тиристор, при котором отводится основная часть носителей заряда, накопленных в базах прибора, и рекомбинации оставшихся носителей заряда. Величины tвк и tв определяют частотные свойства тиристора и зависят от его типа. Время tвк составляет от 1…5 до
30 мкс, а время tв — от 5…12 до 250 мкс.

Фототиристор (см. рисунок 2.27, г) по принципу действия подобен рассмотренному. Отличие заключается в том, что увеличение числа носителей заряда в тиристоре, необходимое для его отпирания, производится не за счет тока управления, а за счет освещения прибора (р2-слоя на рисунке 2. 29). С этой целью в корпусе прибора предусматривается специальное окно.

Фототиристоры нашли широкое применение в высоковольтных установках преобразования электрической энергии, поскольку они позволяют надежно решать задачу развязки по напряжению выходной цепи прибора и системы управления.

Вольт-амперные характеристики двухоперационного тиристора (см. рисунок 2.27, в) такие же, как и у однооперационного. В двухоперационных тиристорах запирание осуществляется не изменением полярности напряжения анод — катод, а пропусканием через управляющий электрод импульса тока, противоположного по направлению току отпирания. При этом используется свойство внутренней положительной обратной связи, действующей в приборе. При пропускании встречного тока в цепи управляющего электрода ток базы транзистора Т2 (см. рисунок 2.29) уменьшается, что приводит к уменьшению всех составляющих токов тиристора, а следовательно, к снижению анодного тока и запиранию прибора. Двухоперационные тиристоры выпускаются на токи до 10 А.

В симметричных тиристорах (симисторах, см. рисунок 2.27, д) с помощью комбинации р— и n-слоев создают полупроводниковую структуру (рисунок 2.32, а), в которой как при одной, так и при другой полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики обычного тиристора. Прибор способен проводить ток в обоих направлениях; его вольт-амперные характеристики приведены на рисунке 2.32, б.

Верхняя часть структуры симистора (рисунок 2.32, а) состоит из слоев n1, p1и п4. Ее крайние слои металлизации электрически объединены и связаны с внешним выводом А прибора. В нижней части структуры слой металлизации, имеющий контакт с внешним выводом В прибора, связывает электрически слои р2 и п3. Вывод от центральной части р1-слоя является управляющим электродом тиристора. Слои с противоположным типом электропроводности образуют в структуре пять р-п-переходов.

Предположим, что тиристор закрыт и к внешнему выводу А относительно вывода В подано напряжение положительной полярности (на рисунке 2.32, а показана без скобок). При этом переходы П3, П4 смещаются в прямом направлении, а переход П3 — в обратном. Все внешнее напряжение будет приложено к переходу П3.

Рисунок 2.32 — Полупроводниковая структура симистора (а) и его вольт-амперная характеристика (б).

При подаче на управляющий электрод импульса напряжения положительной полярности относительно вывода А переход П5 смещается в прямом направлении и инжектирует электроны из п4-слоя в р1-слой, которые под действием диффузии проходят р1-слой в направлении перехода П2. Прямое напряжение на переходе П2 будет ускоряющим для электронов, которые входят в n2-слой. Вошедшие электроны снижают потенциал п2-слоя относительно p1-слоя, прямое напряжение на переходе П2 увеличивается, что приводит к инжекции дырок из р1-слоя в п2-слой. Пройдя под действием диффузии п2— слой, дырки попадают в ускоряющее поле перехода П3 и перебрасываются в р2-слой. Диффузионное движение дырок в р2-слое в направлении внешнего вывода В возможно лишь по пути огибания перехода П4 (на рисунке 2.32, а показано стрелкой), так как поле перехода П4 для дырок будет тормозящим.

В результате протекания дырочного тока через р2-слой в нем создается падение напряжения, которое увеличивает прямое смещение перехода П4. В свою очередь, увеличиваются инжекция электронов из п3-слоя в р2-слой и последующий их переход в р2-слой во встречном направлении. Появление дополнительного числа электронов в п2-слое вызывает еще больший поток дырок в направлении внешнего вывода В.

В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному процессу нарастания тока через прибор и отпиранию правой половины тиристорной структуры p1-n2-p2-n3. Таким образом, в результате подачи импульса управления осуществляется переход тиристора с участка закрытого состояния 0 — а на участок открытого состояния б — в вольт-амперной характеристики (см. рисунок 2.32, б).

При подведении к тиристору напряжения противоположной полярности (на рисунке 2.32, а в скобках) поведение прибора определяется структурой левой его части. п1 — р1 — п2 — р2, соответствующей обычному тиристору с внешним напряжением, приложенным в прямом направлении.

Симисторы выпускают на токи до 160 А и напряжение до 1200 В.

Транзистор

— Википедия

Dieser Artikel beschreibt das elektronische Bauelement Transistor . Zum gleichnamigen Computerspiel siehe Transistor (Computerspiel). Auswahl an diskreten Transistoren in verschiedenen THT-Gehäuseformen

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement zum Steuern meistens niedriger elektrischer Spannungen und Ströme. Er ist der weitaus wichtigste «aktive» Bestandteil elektronischer Schaltungen, der beispielsweise in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik и в Computersystemen eingesetzt wird.Besondere Bedeutung haben Transistoren — zumeist als Ein / Aus-Schalter — в interierten Schaltkreisen был die weit verbreitete Mikroelektronik ermöglicht.

Die Bezeichnung «Transistor» ist ein Kofferwort des englischen trans fer res istor , [1] [2] был в Funktion einem durch eine angelegte elektrische stannung elektrischen eine entspricht. Die Wirkungsweise ähnelt der einer entsprechenden Elektronenröhre, nämlich der Triode.

Nachbau des ersten Transistors von Shockley, Bardeen und Brattain von 1947/48 im Nixdorf-Museum Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, 1948 год. Nahaufnahme eines Germaniumtransistors aus den 1960er Jahren mit zentraler Germaniumscheibe und in der Mitte die «Indiumpille» als Kontakt

Die ersten Patente auf das Prinzip des Transistors meldete Julius Edgar Lilienfeld im Jahr 1925 an. [3] Lilienfeld beschreibt in seiner Arbeit ein elektronisches Bauelement, das Eigenschaften einer Elektronenröhre aufweist und im weitesten Sinne mit dem heute als Feldeffekttransistor (FET) bezeichneten Bauelement.Zu dieser Zeit war es technisch noch nicht möglich, Feldeffekttransistoren praktisch zu realisieren. [4]

Im Jahr 1934 Лицо физика Оскара Хайль ден Aufbau Eines Feldeffekttransistor патент, bei dem es sich um einen Halbleiter-FET mit изолирующий воротник [5] Die ersten praktisch realisierten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren JFETs mit einem p-n-Übergang (positiv-negativ) и einem Gate как Steuerelektrode gehen auf Herbert F. Mataré, Heinrich und Welazker sowie parallelBrattain aus dem Jahr 1945 zurück. [6] Der Feldeffekttransistor wurde somit Historisch vor dem Bipolartransistor realisiert, konnte sich damals aber noch nicht praktisch durchsetzen. Damals wurden diese Bauelemente noch nicht als Transistor bezeichnet; den Begriff «Transistor» prägte John R. Pierce im Jahr 1948. [2]

Ab 1942 Experimentierte Herbert Mataré bei Telefunken mit dem von ihm als Duodiode (Doppelspitzendiode) bezeichneten BauelemewDebeelemewenfürnungen der Система (РАДАР).Die von Mataré dazu aufgebauten Duodioden waren Punktkontakt-Dioden auf Halbleiterbasis mit zwei sehr nahe beieinander stehenden Metallkontakten auf dem Halbleitersubstrat. Mataré Experimentierte dabei mit polykristallinem Silizium (kurz: Polysilizium), das er von Karl Seiler aus dem Telefunken-Labor в Breslau bezog, und mit Germanium, das er von einem Forschungsteam der Luftwaffe bei au Münhielkente (in Demand Hei) Bei den Experimenten mit Germanium entdeckte er Effekte, die sich nicht als zwei unabhängig arbeitende Dioden erklären ließen: Die Spannung an der einen Diode konnte den Strom durch die andere Diode beeinflussen.Diese Beobachtung bildete die Grundidee für die späteren Spitzentransistoren, eine frühe Bauform des Bipolartransistors.

In den Bell Laboratories in den Vereinigten Staaten entwickelte die Gruppe um John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain den ersten funktionierenden Bipolartransistor in Form eines Spitzentransistors, der am 23 декабря 1947 года. [7] [8] [9] Für die Erfindung des Bipolartransistors erhielten John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain 1956 den Nobelpreis für Physik.Da Shockley mit seinem Team einen Bipolartransistor realisiert hatten, welcher nicht auf dem Funktionsprinzip eines Feldeffekttransistors basiert, finden sich in dem US-Patent auch keine Referenzen auf die Theoretischen Vorarbeiten von und Lilienfeld den 1920. [10] [11]

Unabhängig von den Arbeiten in den USA entwickelten die beiden Wissenschaftler Herbert Mataré und Heinrich Welker во Франкрайхе обеспечивает функционирование биполярного транзистора.Sie waren einige Monate später erfolgreich und meldeten dafür am 13. Август 1948 г. в Париже ein Patent an. [12] [13] [14] Am 18. Май 1949 года мы наблюдали за искусственным искусством «Transistron» der Öffentlichkeit vorgestellt, der neue Begriff «Transistron» поклонялись в Folge keine wesentliche Verbreitung. [15]

In den Folgejahren folgen weitere, technologische Verbesserungen. Таким образом, группа компаний Гордон Тил, Морган Спаркс и Уильям Шокли в лабораториях Белла в Яре в 1951 году подает заявку на использование флехентранзисторов, работает над улучшением «Кристалла».Bis dahin waren Bipolartransistoren als Spitzentransistoren aufgebaut. [16]

In den 1950er-Jahren gab es einen Wettlauf zwischen der Elektronenröhre und den damals üblichen Bipolartransistoren, in dem die Chancen des Bipolartransistors wegen der vergleichsweefredenterigen Transiturienterigen. Die geringe Größe, der geringe Energiebedarf und später die zunehmenden Transitfrequenzen der Transistoren führten jedoch dazu, dass die Elektronenröhren als Signalverstärker mittlerweile auf fast allen technischen Gebieten abgelöst wur.

Feldeffekttransistoren spielten im praktischen Einsatz, im Gegensatz zu den ersten Bipolartransistoren, in den 1950er bis in die späten 1960er Jahre noch kaum eine Rolle, obwohl deren Theoretischen Grundannt länger bek. Feldeffekttransistoren ließen sich mit den damaligen Kenntnissen nicht wirtschaftlich fertigen und waren wegen der Durchschlagsgefahr des Gates durch unbeabsichtigte elektrostatische Entladung umständlich zu handhaben. Zur Lösung der bei bipolaren Transistoren auftretenden Probleme wie Leistungsbedarf und Anforderungen für integrierte Schaltungen beschäftigten sich Entwickler ab etwa 1955 eingehender mit den Halbleiteroberflächen und fanden Fertigungsverfahrenzee.

Die ersten handelsüblichen Bipolartransistoren wurden aus dem Halbleitermaterial Germanium hergestellt und ähnlich wie Elektronenröhren in winzige Glasröhrchen eingeschmolzen. Die verschieden dotierten Zonen entstanden mit einem zentralen Germaniumplättchen, in das von beiden Seiten «Indiumpillen» anlegiert waren. [17] [18] Letztere drangen damit tief in das Grundmaterial ein, in der Mitte blieb aber eine Basisstrecke gewünschter Dicke frei. Im Jahr 1954 kamen Bipolartransistoren aus Silizium auf den Markt (Gordon Teal bei Texas Instruments und Morris Tanenbaum an den Bell Labs). Dieses Grundmaterial war einfacher verfügbar und preisgünstiger. Seit den späten 1960er Jahren kamen großteils Metall- oder Kunststoffgehäuse zur Anwendung. Einsatzbereiche lagen zunächst in der analogen Schaltungstechnik wie den damals aufkommenden Transistorradios. Das Basismaterial Germanium wurde in Folge verstärkt durch das technisch vorteilhaftere Silizium ersetzt, das einen größeren Arbeitstemperaturbereich bei wesentlich geringeren Restströmen abdeckte und durch die Siliziumdioxid-German elektriskendenendennensektungendensektungen.

Der erste auf Galliumarsenid basierende Feldeffekttransistor, sogenannte MESFET, wurde 1966 von Carver Mead entwickelt. [19] Dünnschichttransistoren (англ. тонкопленочный транзистор , abgekürzt TFT ) wurden bereits 1962 von P. Weimer entwickelt, konnten aber erst rund 30 Jahre später im Bereich heute übeenich-farplays. [20]

Werden alle Transistoren in sämtlichen bislang hergestellten Schaltkreisen wie Arbeitsspeicher, Prozessoren usw. , zusammengezählt, ist der Transistor inzwischen diejenige technische Funktionseinheit, die von der Menschheit in den höchsten Gesamtstückzahlen produziert wurde und wird. Moderne integrierte Schaltungen, wie die in Personal Computern eingesetzten Mikroprozessoren, bestehen aus vielen Millionen bis Milliarden Transistoren.

Es gibt zwei wichtige Gruppen von Transistoren, nämlich Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren (FET), die sich durch die Art der Ansteuerung voneinander unterscheiden.Eine Liste mit einer groben Einordnung bzw. Gruppierung der Transistoren sowie weiteren Transistorenvarianten findet sich unter Liste elektrischer Bauelemente.

Биполярный транзистор [Bearbeiten |

Тиристор на транзисторах NPN и PNP

Представление эквивалентной схемой

Эквивалентная схема содержит пару биполярных транзисторов NPN и PNP, как показано на следующем рисунке.

Структура P-N-P-N тиристора соответствует структурам P-N-P и N-P-N биполярных транзисторов, база каждого устройства подключена к коллектору другого устройства. Чтобы эта схема работала как тиристор, она необходимо выбрать подходящие значения параметров устройств NPN и PNP, а также внешние резисторы. Например, чтобы схема зафиксировалась во включенном состоянии, один раз запускается подходящим током затвора, общий коэффициент усиления двух транзисторов должен быть больше единицы. Эта модельная структура воспроизводит поведение тиристора в типовые схемы применения, в то же время представляя минимальное количество уравнения для решателя, чтобы повысить скорость моделирования.

Примечание

Чрезвычайно важно настроить тиристорный компонент. правильно, прежде чем использовать его в вашей модели. Чтобы помочь вам в этом, есть два теста ремни безопасности в Simscape ™ Примеры Electrical ™, статический тиристор Проверка поведения и динамическое поведение тиристоров Проверка. Следуйте тексту справки для этих двух примеров, а также техническое описание вашего устройства, чтобы перенастроить тиристорный компонент, чтобы он воспроизводит требуемое поведение.Затем вы можете скопировать параметризованный компонент в вашу модель. Позаботьтесь о том, чтобы правильно смоделировать схему управления затвором, включая последовательное сопротивление цепи. Подключение управляемого источника напряжения непосредственно на затвор тиристора дает нефизические результаты, потому что он зажимает напряжение затвора к катоду, когда потребность затвора равна нулю.

Модель фиксирует следующие поведения тиристоров:

  • токи в закрытом состоянии, I DRM и И РРМ .Обычно это указано для максимального напряжения в закрытом состоянии V DRM и В RRM . Предполагается, как и случай для большинства тиристоров, что I DRM = I RRM и V DRM = В RRM .

  • Напряжение триггера затвора равно Соответствующему затвору напряжение, значение параметра V_GT , когда ток затвора равен к току запуска затвора , параметр I_GT значение.

  • Тиристор срабатывает, когда ток затвора равен Ток срабатывания затвора, I_GT . Тиристор не зафиксируйте, пока ток затвора не достигнет этого значения.Чтобы убедиться, что это случае, необходимо установить Внутренний шунтирующий резистор, рупий. параметр правильно. Если сопротивление слишком велико, то срабатывает гейт. до того, как ток затвора достигнет i GT . Если сопротивление слишком велико small, то гейт не срабатывает.

    Вы можете определить значение внутреннего шунтирующего резистора Rs, запустив моделирование.Чтобы узнать, как это можно сделать, см. Статическое поведение тиристора. Пример проверки. В качестве альтернативы, если вы используете тиристор в цепи с внешним резистором R GK подключен от затвора к катоду, то влияние Rs обычно очень мало, и его можно установить на inf .

  • Когда тиристор во включенном состоянии, если ток затвора снят, тиристор остается во включенном состоянии, если ток нагрузки выше чем удерживающий ток. Вы не указываете ток удержания напрямую потому что его значение в первую очередь определяется другими параметрами блока.

    Однако на ток удержания может влиять Продукт Параметр усиления прямого тока NPN и PNP на Дополнительно вкладка. Уменьшение усиления увеличивает удерживающий ток.

  • Напряжение в открытом состоянии равно напряжению в открытом состоянии , Значение параметра V_T , когда ток нагрузки равен Ток в открытом состоянии, значение параметра I_T .Это обеспечивается значением сопротивления R_on, которое учитывает напряжение падение видно на устройствах PNP и NPN.

  • Запуск по скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии. Быстрое изменение Напряжение анод-катод индуцирует ток в емкости база-коллектор термины. Если этот ток достаточно велик, он запускает тиристор в в состоянии. Программа инициализации тиристора вычисляет подходящее значение для емкости база-коллектор, так что при скорости изменения напряжение равно Критическая скорость нарастания выключенного состояния напряжение, значение параметра dV / dt , тиристор срабатывает.Этот расчет основан на приближении того, что требуемый ток составляет В GT / R GK где R GK — значение сопротивления затвор-катод, используемое при цитировании критического dV / dt Значение .

  • Ненулевое время включения, контролируемое затвором, в основном зависит от Время прямого прохождения устройства NPN, TF .Вы либо укажите этот параметр напрямую или рассчитайте приблизительное значение для TF от времени включения.

  • Ненулевое коммутируемое время выключения, в первую очередь определяемое Время прямого прохождения устройства PNP, TF . Вы также можете укажите этот параметр напрямую или установите его равным форварду время прохождения для транзистора NPN.

Резисторы Gmin1 и Gmin2 улучшают числовую устойчивость в больших и обратные напряжения.Их значения влияют на токи в закрытом состоянии не более чем на 1%. при максимальных прямых и обратных напряжениях в выключенном состоянии.

Примечание

Поскольку эта блочная реализация включает модель начисления, вы должны смоделировать импеданс цепи, управляющей затвором, для получения репрезентативного включения и динамика выключения. Следовательно, если вы упрощаете схему управления затвором, представляя его как управляемый источник напряжения, вы должны включить подходящий последовательный резистор между источником напряжения и затвором.

Представление в виде таблицы поиска

При использовании представления таблицы поиска вы предоставляете табличные значения для анодно-катодный ток как функция анод-катодного напряжения во включенном состоянии. Основными преимуществами использования этой опции являются скорость моделирования и простота параметризация. Чтобы еще больше упростить базовую модель, это представление не модель:

Задержка включения представлена ​​входным конденсатором затвор-катод, значение который рассчитывается таким образом, чтобы задержка между повышением напряжения затвора и устройством начало включения равно значению, заданному задержкой включения время параметр.Время нарастания тока нагрузки при включении равно реализуется путем нелинейного нарастания между нулем и током, определяемым профиль тока-напряжения в открытом состоянии в течение периода времени, определяемого значением Время нарастания включения параметр. Обратите внимание, что в результате текущий профиль включения является приближением к реальному устройству.

Тепловой порт

Блок имеет дополнительный тепловой порт, по умолчанию скрытый.Чтобы открыть термопорт, щелкните правой кнопкой мыши блок в вашей модели, а затем в контекстном меню выберите >> . Это действие отображает тепловой порт H на пиктограмме блока и выставляет Thermal Параметры порта .

Используйте термопорт для моделирования воздействия выделяемого тепла и температуры устройства. За дополнительная информация об использовании тепловых портов и о тепловом порте параметры см. «Моделирование тепловых эффектов в полупроводниках».

Тиристоры (SCR)

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Распознать типичные пакеты SCR:
  • Опишите типичную конструкцию SCR:
  • Изучите типовые диаграммы характеристик SCR:
  • Ознакомьтесь с соображениями безопасности при демонстрации SCR.

Тиристорные блоки (SCR)

Рис.6.0.1 Типичные пакеты SCR

Тиристор — это общее название ряда высокоскоростных переключающих устройств, часто используемых при управлении мощностью переменного тока и переключении переменного / постоянного тока, включая симисторы и тиристоры (выпрямители с кремниевым управлением). SCR — это очень распространенный тип тиристоров, и несколько примеров распространенных корпусов SCR показаны на рисунке 6.0.1. Доступны многие типы, которые могут переключать нагрузки от нескольких ватт до десятков киловатт. Обозначение схемы для SCR показано на рисунке 6.0.2. и предполагает, что SCR действует в основном как КРЕМНИЙНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ диод с обычными соединениями анода и катода, но с дополнительной клеммой CONTROL, называемой GATE. Отсюда и название выпрямитель с кремниевым управлением.

Триггерное напряжение, приложенное к затвору, когда анод более положительный, чем катод, включает тиристор, чтобы позволить току течь между анодом и катодом. Этот ток будет продолжать течь, даже если триггерное напряжение будет удалено, пока ток между анодом и катодом не упадет почти до нуля из-за внешних воздействий, таких как отключение цепи, или форма волны переменного тока, проходящая через нулевое напряжение как часть его цикл.

Рис. 6.0.2 Типовое обозначение конструкции и схемы SCR

Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR)

SCR, в отличие от обычных двухслойных выпрямителей с PN-переходом, состоят из четырех слоев кремния в структуре P-N-P-N, как можно увидеть на изображении SCR в разрезе на рис. 6.0.2. Добавление затвора к этой структуре позволяет переключать выпрямитель из непроводящего состояния с прямой блокировкой в ​​состояние с низким сопротивлением и прямой проводимостью (см.также рис.6.0.3). Таким образом, небольшой ток, приложенный к затвору, может включить гораздо больший ток (также при гораздо более высоком напряжении), приложенный между анодом и катодом. Когда тиристор проводит ток, он ведет себя как обычный кремниевый выпрямитель; ток затвора может быть удален, и устройство останется в проводящем состоянии.

SCR приводится в действие путем подачи запускающего импульса на вывод затвора, в то время как выводы основного анода и катода смещены в прямом направлении. Когда устройство смещено в обратном направлении, стробирующий импульс не действует.Чтобы выключить SCR, ток между анодом и катодом должен быть уменьшен ниже определенного критического значения «тока удержания» (близкого к нулю).

Обычно тиристоры используются для переключения нагрузок большой мощности. Они являются переключающим элементом во многих домашних регуляторах освещенности, а также используются в качестве элементов управления в регулируемых или регулируемых источниках питания.

Рис. 6.0.3 Характеристики SCR

Характеристики SCR

На рис. 6.0.3 показана типичная характеристическая кривая для SCR.Видно, что в области обратной блокировки он ведет себя аналогично диоду; весь ток, за исключением небольшого тока утечки, блокируется до тех пор, пока не будет достигнута область обратного пробоя, и в этот момент изоляция из-за истощенных слоев на переходах разрушится. В большинстве случаев обратный ток, протекающий в области пробоя, может разрушить тиристор.

Однако, когда SCR смещен в прямом направлении, в отличие от обычного диода, ток не начинает течь, когда чуть больше 0.При подаче напряжения 6В ток не течет, кроме небольшого тока утечки. Это называется режимом прямой блокировки, который распространяется на сравнительно высокое напряжение, называемое «прямое напряжение переключения». SCR обычно работает при напряжениях, значительно меньших, чем перенапряжение прямого прерывания, так как любое напряжение, превышающее перенапряжение прямого прерывания, приведет к неконтролируемой проводимости SCR; затем SCR внезапно показывает очень низкое прямое сопротивление, позволяя протекать большому току.Этот ток «фиксируется» и будет продолжать течь до тех пор, пока либо напряжение на аноде и катоде не уменьшится до нуля, либо прямой ток не уменьшится до очень низкого значения, меньшего, чем «ток удержания», показанный на рис. 6.0.3. . Однако прямой разрыв по проводимости может произойти, если SCR используется для управления напряжением переменного тока (например, от сети или сети), и возникает внезапный всплеск напряжения, особенно если он совпадает с пиковым значением переменного тока (или близок к нему). Если SCR случайно переведен в режим прямого прерывания, это может вызвать внезапный, но кратковременный скачок максимального тока, который может иметь катастрофические последствия для других компонентов в цепи.По этой причине часто обнаруживается, что в SCR есть какой-либо метод подавления выбросов, включенный либо в конструкцию SCR, либо в качестве внешних компонентов, обычно называемых «демпфирующей схемой».

Правильный способ инициировать включение SCR — подать ток на затвор SCR, пока он работает в «области прямой блокировки», тогда SCR «срабатывает», и его прямое сопротивление падает до очень низкая стоимость. Это создает «ток фиксации», который из-за низкого прямого сопротивления SCR в этом режиме позволяет очень большим (несколько ампер) токам течь в «прямой проводящей области» без каких-либо изменений прямого напряжения (примечание что характеристическая кривая после срабатывания SCR практически вертикальна).В этой области будет течь ток, который может изменяться, но если прямой ток упадет ниже значения «удерживающего тока» или напряжение между анодом и катодом уменьшится почти до 0 В, устройство вернется в свою зону прямой блокировки, эффективно поворачивая выпрямитель. выключен, пока он не сработает еще раз. Использование затвора для запуска проводимости таким образом позволяет контролировать проводимость, что позволяет использовать SCR во многих системах управления переменного и постоянного тока.

Рис. 6.0.4 Двухтранзисторная модель SCR

Как работает SCR

Модель SCR на двух транзисторах

Фактическую работу SCR можно описать со ссылкой на рис.6.0.4 (a) и (b), где показаны упрощенные схемы структуры SCR с помеченными слоями P и N и переходами. Чтобы понять работу SCR, четыре уровня SCR теоретически можно представить как небольшую схему, состоящую из двух транзисторов (один PNP и один NPN), как показано на рис. 6.0.4 (b). Обратите внимание, что слой P2 образует как эмиттер Tr1, так и базу Tr2, а слой N1 формирует базу Tr1 и коллектор Tr2.

Состояние «выключено»

Ссылаясь на Рис.6.0.4 (c), при отсутствии сигнала затвора и затворе (g) с тем же потенциалом, что и катод (k), любое напряжение (меньше, чем перенапряжение прямого размыкания), приложенное между анодом (a) и катодом (k ), так что анод положительный по отношению к катоду не будет создавать ток через SCR. Tr2 (NPN-транзистор) имеет 0В, приложенное между базой и эмиттером, поэтому он не будет проводить, и поскольку его напряжение коллектора обеспечивает базовое возбуждение для Tr1 (PNP-транзистор), его переход база / эмиттер будет смещен в обратном направлении.Таким образом, оба транзистора выключены, и между анодом SCR и катодом не будет протекать ток (за исключением небольшого обратного тока утечки), и он работает в области прямой блокировки.

Запуск SCR

Когда SCR работает в области прямой блокировки (см. Характеристики SCR на рис. 6.0.3), если затвор и, следовательно, база Tr2, см. Рис. 6.0.4 (c), становятся положительными по отношению к катоду (также эмиттер Tr2) путем применения стробирующего импульса, так что небольшой ток, обычно от нескольких мкА до нескольких мА в зависимости от типа тиристора, вводится в базу Tr2, Tr2 включается, и напряжение на его коллекторе падает.Это вызовет протекание тока в PNP-транзисторе Tr1 и быстрое повышение напряжения на коллекторе Tr1 и, следовательно, на базе Tr2. Базовый эмиттерный переход Tr2 станет еще более смещенным вперед, быстро включив Tr1. Это увеличивает напряжение, прикладываемое к базе Tr2, и сохраняет проводимость Tr2 и Tr1, даже если исходный стробирующий импульс или напряжение, которое запустило процесс включения, теперь удаляются. Теперь между слоями анода P1 (a) и катода N2 (k) будет протекать большой ток.

Сопротивление между анодом и катодом падает почти до нуля Ом, так что теперь ток тринистора ограничивается только сопротивлением любой цепи нагрузки.Описанное действие происходит очень быстро, поскольку включение Tr2 с помощью Tr1 является формой положительной обратной связи, когда каждый коллектор транзистора подает большие изменения тока на базу другого.

Поскольку коллектор Tr1 подключен к базе Tr2, действие включения Tr1 фактически подключает базу Tr2 (вывод затвора) к высокому положительному напряжению на аноде (a). Это гарантирует, что Tr2 и, следовательно, Tr1 остаются проводящими, даже когда стробирующий импульс удален. Чтобы выключить транзисторы, напряжение на аноде (a) и катоде (k) должно иметь обратную полярность, как это произошло бы в цепи переменного тока в то время, когда положительный полупериод волны переменного тока достигал 0 В, прежде чем стать отрицательным. на вторую половину его цикла или в цепи постоянного тока ток, протекающий через тиристор, отключается.В любом из этих случаев ток, протекающий через тиристор, будет снижен до очень низкого уровня, ниже уровня удерживающего тока (показанного на рис. 6.0.3), поэтому переходы база-эмиттер больше не имеют достаточного прямого напряжения для поддержания проводимости.

Рис. 6.0.5 Низковольтное питание SCR

Демонстрация работы SCR

Поскольку SCR обычно используются для управления мощными высоковольтными нагрузками, это представляет значительный риск поражения электрическим током для пользователей в любой экспериментальной или образовательной среде.Однако схемы, описанные на следующих веб-страницах Модуля 6, предназначены для демонстрации различных методов управления, используемых с тиристорами с использованием переменного тока низкого напряжения (12 В RMS ), как показано на рис. 6.0.5, вместо того, чтобы подвергать пользователя опасностям. использования сетевого (линейного) напряжения. Обратите внимание, что схемы, показанные в этом модуле, предназначены только для демонстрации низкого напряжения, а не как рабочие схемы управления для сетевых (линейных) цепей. Для реальных рабочих примеров вы должны обратиться к инструкциям по применению, выпущенным производителями SCR.

Часть схемы, содержащая SCR (SCR C106M), вместе с токоограничивающим резистором 33R и лампой 12 В 100 мА, построена на небольшом куске Veroboard (прототипной платы), который можно легко прикрепить к макету с помощью ‘Blu Tack ‘или аналогичный временный клей, позволяющий экспериментально конструировать различные схемы управления на макетной плате. На SCR подается переменный ток через двухполюсный переключатель и изолирующий трансформатор с 230 В на 12 В (идеален небольшой медицинский изолирующий трансформатор) с предохранителем 250 мА во вторичной цепи, все они помещены в коробку с двойной изоляцией.

Рис. 6.0.6 Низковольтные цепи питания тиристоров

Мостовой выпрямитель находится в отдельном изолированном корпусе с проволочным резистором 1K8, подключенным к выходу, чтобы обеспечить постоянную нагрузку. Это гарантирует, что формы выходных сигналов двухполупериодного выпрямленного выхода 12 В могут быть надежно отображены на осциллографе. Эти отдельные схемы, показанные на рис. 6.0.6, просто сконструированы и представляют собой полезный набор для демонстрации и экспериментов с различными типами SCR или работы источника питания при низком напряжении.

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *