Тиристор может находиться в различных состояниях




Скачать 160.7 Kb.
НазваниеТиристор может находиться в различных состояниях
Дата конвертации11.04.2013
Размер160.7 Kb.
ТипДокументы
1 Принцип действия тиристора


Тиристор может находиться в различных состояниях:

а) обесточенное; б) открытое; в) блокирующее обратное; г) блокирующее прямое;

1.1 Состояние равновесия.

Наличие трех p-n-переходов приводит к образованию соответствующих областей пространственного заряда (Рис. 3). Вследствие градиента концентраций дырки диффундируют из p-области в n-область, оставляя нескомпенсированными отрицательно заряженные акцепторы. Соответственно электроны диффундируют из n-области в p-область, оставляя нескомпенсированными положительно заряженные доноры. Благодаря этому в областях объемного заряда возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области. Это поле вызывает дрейф дырок в направлении p-слоя и препятствует диффузии дырок. Соответствующим образом электрическое поле воздействует и на электроны.




Рис. 3. Зонная диаграмма в состоянии равновесия.


1.2 Открытое состояние.

В открытом состоянии неосновные носите­ли заряда диффундируют от эмиттерных переходов П1, П3 (рис. 4, а) к переходу П2 в таком большом количестве, что если бы переход П2 не был смещен в

прямом направле­нии, то они вызвали бы ток, который превы­сил IА, что

привело бы к нарушению условия непрерывно­сти тока.







Рис. 4. Проводящее состояние тиристора: а – ток; б – распределение концентрации носителей заряда при больших прямых токах.




Рис. 5. Энергетическая диаграмма открытого состояния.

В этом случае благодаря току h21Б1IА скорость заполне­ния p-базы дырками была бы выше скорости их исчезно­вения вследствие рекомбинации, соответствен­но и в n-базу поставлялось бы электронов больше - ток h21Б2IА, чем рекомбинировало - ток (1- h21Б2)IА. Таким обра­зом, в p-базе образовался бы избыток дырок, обусловлива­ющий положительный заряд.

Напряженность поля в слое пространственного заряда и вследствие этого высота потенциального барьера умень­шились бы в конце концов настолько, что возникло бы на­пряжение, достаточное для смещения перехода П2 в прово­дящее направление, дырки и электроны перебрасывались бы в обратном направлении в одинаковом количестве - дырки из p-базы в n-базу, электроны из n-базы в p-базу - по мере образования избыточного за­ряда. В результате достигалось бы окончательное стацио­нарное состояние и начальное запирающее направление на­пряжения на переходе изменялось бы на про­водящее направление.

Этот анализ показывает, что стационарное состояние при h21Б1 + h21Б2 > l может быть реализовано лишь при прямом смеще­нии перехода П2. Но особенно следует подчеркнуть, что по­тенциальный барьер снижается тем сильнее, чем больше (h21Б1 + h21Б2 – l)IА.

1.3 Блокирующие свойства при обратном напряжении.

Если к тиристору при­ложить обратное напряжение (рис. 6), то в момент включения дырки устремятся к отрицательному, а элект­роны к положительному электродам. При этом в течение короткого отрезка времени протекает ток смещения, обус­ловленный увеличением толщины слоя объемного заряда переходов П1 и П3 и уменьшением толщины слоя объемного заряда перехода П2.







Рис. 6. Тиристор при обратном смещении. Расширение областей пространственного заряда и распределение потенциала в его структуре. Зонная диаграмма.

Таким образом, переходы П1 и П3 вклю­чаются в запирающем, а переход П2 в проводящем направ­лении. Приложенное обратное напряжение UR распреде­ляется между p-n-переходами П1 и П3, UR ≈ U1 + U3. Напря­жения U1 и U3 из-за различной степени легирования базо­вых областей в общем случае отличаются друг от друга. Как правило, база, к которой присоединен управляющий электрод, легирована более сильно, так что напряжение пробоя П3 составляет лишь несколько вольт.





Рис. 7. Распределение концентрации неосновных носителей заряда в тиристоре, смещенном в запирающем направлении.


В стационарном блокирующем состоянии (рис. 8) структуры nE-pB-nB и pE-nB-pB работают как транзисторы в инверсном режиме с коэффициентом передачи h21Б2 и h21Б1 соответственно.

В запирающих слоях переходов П1, П3 каждый продиффундировавший носитель заряда при напряжениях, близ­ких к напряжениям пробоя U(BR)1, U(BR)3, умножается вследствие явления лавинного умножения. Поэтому отдельные составляющие тока, вытекающие из запи­рающего слоя переходов П1, и П3, увеличиваются на коэф­фициенты умножения M(U1) и M(U3).

Уже при малых обратных напряжениях переход П3 работа­ет в режиме лавинного пробоя. Поэтому падение напряже­ния на нем постоянно и равно U ≈ U(BR)3, переход П3 может пропускать ток достаточно большой величины и рассматривается как омический контакт.




Рис. 8. Упрощенная модель тиристора при UR > U(BR)3.

В результате обратная ветвь характеристики определяется только транзисторной струк­турой pE-nB-pB, у которой переход П1 смещен в обратном направлении.


1.4 Блокирующие свойства в прямом направлении.

Анализ блокирующих свойств в прямом направлении базируется на основном уравнении напряжения переключе­ния. Так как при подаче напряжения область объемного за­ряда перехода П2 распространяется только в базу nB, ко­эффициент h21Б1 описывается так же, как и прежде.





Рис. 9. Зонная диаграмма тиристора в блокирующем прямом состоянии.

При h21Б2<>0 верхняя граница понижается. Поэтому блокирующая способность в прямом направлении принципиально ниже блокирующей способно­сти в обратном направлении.

Для уменьшения повышенной чувствительности напря­жения переключения от h21Б2 необходимо стремиться, чтобы h21Б2 ≈ 0, с тем чтобы тиристор полностью реализовал свои блокирующие возможности. Это требование находится в противоречии с зависимостью от h21Б2 тока. Однако оно мо­жет быть устранено за счет того, что значительная часть носителей заряда рекомбинирует в слое объемного заряда, что проявляется в резком спаде коэффициента передачи в области малых токов. В области запирающих токов коэф­фициент инжекции эмиттера γ3 << 1, и поэтому h21Б2 примерно равно нулю.


1.5 Вольт-амперная характеристика тиристора


Посмотрим на вольт-амперную характеристику тиристора.





      Рис. 10. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора


      На характеристике участок ОА соответствует выключенному (закрытому) состоянию тиристора. На этом участке через тиристор протекает ток утечки I зкр и сопротивление тиристора очень велико (порядка мегаом). При повышении напряжения до определенного значения U вкл (на характеристике точка А) ток через тиристор резко возрастает (скачком). Дифференциальное сопротивление тиристора в точке А равно нулю. На участке AB дифференциальное сопротивление тиристора отрицательное. Этот участок соответствует неустойчивому состоянию тиристора. При включении последовательно с тиристором сопротивления нагрузки рабочая точка смещается на участок BC, соответствующий включенному состоянию тиристора. На этом участке сопротивление тиристора опять положительное. Для того, чтобы поддерживать тиристор в открытом состоянии через него должен протекать ток не менее I уд . Снижая напряжение на тиристоре, можно уменьшить ток до значения, меньшего I уд и перевести тиристор в выключенное состояние.

1.6 Включение тиристора.

Переключить тиристор из высокоомного состояния в низкоомное можно подачей положительного импульса на управляющий электрод (рис. 11). Как видно из диаграммы, время включения состоит из трех составляющих: времени задержки, проходящем между моментом подачи управляющего импульса и моментом достижения анодного тока значения 0.1I1; времени нарастания – нарастании анодного тока до 0,9I1; и времени распространения. При включении управляющего импульса происходит инжекция элект­ронов в p-базу. Накопленный отрицательный заряд понижает потенциаль­ный барьер перехода П1, что приводит к инжекции дырок в n-ба­зу. Инжектированные дырки продиффундируют через n-базу и перенесутся полем коллектора в p-ба­зу, что вызовет понижение потенциального барьера перехода П3 и дальнейший рост инжекции электронов. Как только ток через структуру станет равным Iср, управляющий им­пульс может быть выключен, так как условия для лавинного на­растания тока созданы. Минимальное время, необходимое для этого, называется временем задержки. С ростом амплитуды управляющего импуль­са тока tзд уменьшается. При малых управляющих токах оно достигает значений порядка 10 мкс, а при больших – порядка 1 мкс. Одной из причин этого является увели­чение коэффициента диффузии с ростом уровня инжекции.

Время нарастания тока от 0,1I1 до 0,9I1 характеризуется длительностью фронта tФ. Дальнейшее увеличение тока до I1 и уменьшение напряжения на p-n-p-n-структуре до UOCT связано с уменьшением сопротивле­ния баз инжектированными носителями и распространением включенного состояния на всю площадь p-n-p-n-структуры. Инжекция начинается вначале вблизи управляющего электрода, а затем распространяется по всей площади перехода П3.











Рис. 11. Схема переключения тиристора а), форма импульса на управляющем электроде б), зависимость напряжения на тиристоре в) и тока через него г) от времени.


Включение p-n-p-n-структуры может происходить при большой скорости изменения напряжения между анодом и катодом несмотря на то, что Ua cp. Причиной этого является проте­кание тока через емкость коллекторного перехода тиристора. Так как переходы П1 и П3 включены в прямом направле­нии, а их емкости велики по сравнению с емкостью коллектора С2, то емкость p-n-p-n-структуры равна С2. При подключении тиристора к источнику питания через емкость протекает ток. Появление этого тока эквивалентно увеличению тока утечки коллекторного перехода, что приводит к росту общего тока и уменьшению напряжения включения.


1.7 Отключение тиристора.


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 (рис. 12а) или напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого полупериода переменного напряжения питания).





Рис. 12. Способы отключения тиристора.


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. Включенный параллельно основным электродам тиристора (рис. 12б) ключ шунтирует анодный ток, и тиристор при этом переходит в закрытое состояние. Некоторые тиристоры повторно включаются после размыкания ключа. Это объясняется тем, что при размыкании ключа заряжается паразитная емкость р-n перехода тиристора, вызывая помехи.

Поэтому предпочитают размещать ключ между управляющим электродом и катодом тиристора (рис. 12д), что гарантирует правильное отключение посредством отсечения удерживающего тока. На рис. 12 а-д представлены различные варианты схем отключения тиристора, среди них и ранее упоминавшиеся. Другие, как правило, применяются, когда требуется отключать тиристор с помощью дополнительной цепи. В этих случаях механический выключатель можно заменить вспомогательным тиристором или ключевым транзистором, как показано на рис. 13.





Рис. 13. Классические схемы отключения тиристора с помощью дополнительной цепи.


2 Теоретические сведения


2.1 Разновидности тиристоров.


Диодный тиристор чаще называют динистором. Если к одной из базовых областей прилепить вывод, то получится управляемый переключающий прибор, который зовут триодный тиристор или просто тринистор . Подавая через этот вывод прямое (управляющее) напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение U вкл . Чем больше ток через управляющий переход, тем меньше U вкл . Другими словами, рост тока управляющего электрода приводит к смещению вольт-амперной характеристики в сторону меньшего напряжения включения. При достаточно большом токе управляющего электрода, называемом током спрямления, ВАХ триодного тиристора вырождается в ВАХ обычного диода, теряя участок отрицательного сопротивления. Для выключения триодного тиристора необходимо, снижая напряжения на нем, уменьшать ток через тиристор до значения, меньшего, чем I уд .
      Запираемые триодные тиристоры в отличие от обычных тринисторов способны запираться при подаче сигнала отрицательной полярности на управляющий электрод. Структура запираемого тринистора аналогична структуре обычного тринистора.
      Симметричные тиристоры (семисторы) имеют пятислойную структуру и обладают отрицательным сопротивлением на прямой и обратной ветвях вольт-амперной характеристики. Включают семистор подачей сигналов управления, выключают - снятием разности потенциалов между силовыми электродами или изменением их полярности.
   


2.2 Условные обозначения тиристоров.


По мере создания и освоения новых видов и классификационных групп тиристоров развивалась и совершенствовалась система их условных обозначений. В настоящее время в эксплуатации находится большое количество тиристоров, имеющих различные обозначение и маркировку. Поэтому для эквивалентной за­мены отказавших, устаревших или ранее разработанных приборов представляет­ся целесообразным проследить процесс изменения систем* условных обозначений. Необходимо отметить, что с самого начала разработок и производства тиристоров сложились две системы условных обозначений, которые с определенными измене­ниями действуют и в настоящее время.

Начиная с 1980 г. введена новая, действующая до настоящего времени система основных обозначений унифицированных силовых полупроводниковых приборов ГОСТ 20859-79. Буквенно-цифровой код новой системы состоит из следующих элементов:

Первый элемент - буква или буквы, обозначающие вид прибора: Т - тиристор;

ТЛ-лавинный тиристор; ТС - симистор; ТО - оптотиристор; ТЗ - запираемый тиристор; ТБК — комбинированно-выключаемый тиристор; ТД — тиристор-диод;

 Второй элемент — буква, обозначающая подвид тиристора по коммутационным характеристикам: Ч — высокочастотный (быстровыключающийся) тиристор; Б — быстродействующий; И — импульсный;

Третий элемент — цифра (от 1 до 9), обозначающая порядковый номер модификации (разработки);

Четвертый элемент — цифра (от 1 до 9), обозначающая классификационный размер корпуса прибора;

Пятый элемент-цифра (от 1 до 5), обозначающая конструктивное исполнение (таблеточное, под запрессовку, фланцевое);

Шестой элемент — число, равное значению максимально допустимого среднего тока в открытом состоянии для тиристоров, лавинных тиристоров, оптотиристоров, комбинированно-выключаемых тиристоров, максимально допустимого им­пульсного тока для импульсных тиристоров, максимально допустимого действую­щего тока для симисторов и импульсного запираемого тока для запираемых тирис­торов. Для тиристоров-диодов шестой элемент состоит из дроби, в числителе ко­торой значение максимально допустимого среднего тока в открытом состоянии, а в знаменателе значение максимально допустимого среднего тока в обратном про­водящем состоянии;

Седьмой элемент — буква Х для приборов с обратной полярностью (основание корпуса — катод);

Восьмой элемент — число, обозначающее класс по повторяющемуся импульсному напряжению в закрытом состоянии (сотни вольт);

Девятый элемент — группа цифр, обозначающая сочетание классификационных параметров.

Условное графическое обозначение всяких тиристоров.





Рис. 14. Условное графическое обозначение тиристоров: а) диодный тиристор (динистор); б) диодный симметричный тиристор; в) триодный незапираемый тиристор с управлением по аноду; г) триодный незапираемый тиристор с управлением по катоду; д) запираемый тринистор с управлением по аноду; е) запираемый тринистор с управлением по катоду; ж) триодный симметричный незапираемый тиристор с управлением по аноду


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

Тиристор имеет три вывода, один из которых - управляющий электрод, можно сказать, "спусковой крючок" - 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.



2.3 Классификация тиристоров.

В процессе развития тиристоров изменялась их классификация. Приведенная здесь классификация отражает последние достижения в этой области полупроводникового приборостроения и наиболее удобна. В зависимости от характера вольтамперной характеристики и способа управления тиристоры подразделяются на:

тиристоры (динисторы) - имеют два вывода и переключаются в открытое состояние импульсами напряжения заданной амплитуды;

триодные тиристоры (тиристоры) - не проводящие в обратном направлении,включаются импульсами тока управления, а выключаются либо подачей обратного напряжения, либо прерыванием тока в открытом состоянии. Тиристоры в зависимости от коммутационных параметров подразделяют на низкочастотные, высокочастотные, быстродействующие, импульсные (специальные тиристоры для импульсных режимов работы);

запираемые тиристоры - выключаются с помощью импульсов тока управления (отличаются малыми значениями времени выключения при равной энергетике с триодными тиристорами);

комбинированно-выключаемые тиристоры выключаются с помощью импульса тока управления при одновременном воздействии обратного анодного напряжения. У этих тиристоров время выключения несколько превышает время выключения запираемых;

тиристоры-диоды являются эквивалентом встречно-параллельного соединения тиристора и диода;

симметричные тиристоры (симистор) - являются эквивалентом встречно-параллельного соединения двух тиристоров и способны пропускать ток в открытом состоянии как в прямом, так и в обратном направлениях. Включается симистор однополярными и разнополярными импульсами тока управления;

лавинные тиристоры имеют лавинную вольтамперную характеристику и обладают повышенной устойчивостью к перенапряжениям;

оптронные тиристоры (оптотиристоры) — управляются с помощью светового сигнала от светодиода, расположенного внутри корпуса прибора. Оптотиристоры обладают повышенной помехоустойчивостью, так как их цепь управления гальванически развязана с сильноточной анодной цепью.

Перспективным направлением миниатюризации аппаратуры является интеграция дискретных полупроводниковых приборов. Поэтому мы включили сюда модули основе силовых тиристоров — одновидовые (тиристорные и оптотиристорные) и комбинированные (с диодами). Модули состоят из двух выпрямительных элементов, определенным образом соединенных между собой.


Список литературы


1) Скаржепа В.А., Шелехов К.В. Цифровое управление тиристорными преобразователями. Ленинград, «Энергоатомиздат» Ленинградское отделение, 1984 г.


2) Чебовский О.Г. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник. Москва, «Энергоатомиздат», 1985 г.


3) Славик А.С. , Замятин В.Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры. Справочник. Москва, «Радио и связь», 1987 г.


4) Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей, Москва, «Энергоатомиздат», 1989 г.


5) Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. Москва, «Энергия», 1977 г.





Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Тиристор может находиться в различных состояниях iconПервый курс, направление: философия дисциплина: физика студент: А. В. Фойгт преподаватель: С. Г. Остапченко
Любое вещество может находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. Совокупность данных элементов и их соединений во всех...

Тиристор может находиться в различных состояниях iconУсилители с программируемым коэффициентом усиления
Ацп. Величина минимального напряжения входного сигнала для большинства ацп равно 0, тогда как максимальная у различных типов ацп...

Тиристор может находиться в различных состояниях iconРаздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их молекулярного строения. Из молекулярной физики
Молекулярная физика раздел физики, изучающий физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их...

Тиристор может находиться в различных состояниях iconУрок «Агрегатные состояния вещества»
Выяснить особенности строения веществ в различных агрегатных состояниях и объяснить их

Тиристор может находиться в различных состояниях iconКонспект лекций «материаловедение»
В каждом из этих агрегатных состояний вещество может находиться бесконечно долго при заданных внешних условиях, что является признаком...

Тиристор может находиться в различных состояниях icon"Агрегатные состояния вещества. Строение твердых, жидких и газообразных тел"
Цель урока: Усвоение знаний о молекулярном строении веществ в различных агрегатных состояниях

Тиристор может находиться в различных состояниях iconМониторинг государственной молодежной политики 12 октября 2009 года
Государство не может находиться в стороне от проблем развития инновационной экономики. От развития высокотехнологичного производства...

Тиристор может находиться в различных состояниях icon«Современные медицинские технологии в оказании реанимационной помощи и неотложных состояниях» (2003-2008 гг.)
Айламазян, Э. К. Неотложная помощь при экстремальных состояниях в акушерской практике: руководство / Э. К. Айламазян. 4-е изд., перераб...

Тиристор может находиться в различных состояниях iconШифр специальности
Основой специальности является теоретическое и экспериментальное исследование природы кристаллических и аморфных, неорганических...

Тиристор может находиться в различных состояниях iconАтом водорода в квантовой механике
В случае кулоновского поля существуют аналитические выражения для волновых функций, что позволяет вычислить средние значения физических...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница