Команда
Контакти
Про нас

    Головна сторінка


тиристори





Скачати 20.33 Kb.
Дата конвертації18.04.2019
Розмір20.33 Kb.
Типреферат

Пристрій, принцип роботи, позначення діодних і тріодних тиристорів.

Прилади з чотиришаровій структурою р-п-р-п є один з видів численного сімейства напівпровідникових приладів, властивості яких визначаються наявністю в товщі напівпровідникової пластини суміжних шарів з різними типами провідності. Основу такого приладу складає кремнієва пластина, що має чотиришарову структуру, в якій чергуються шари з доречний р і електронної n проводимостями (рис. La) Ці чотири шари утворюють три р-п переходу J1, J2, J3. Висновки в приладах з че- тирехслойной структурою робляться від двох крайніх областей (р і n), а в більшості приладів - і від внутрішньої області р.


Крайню область р структури, до якої підключається позитивний полюс джерела живлення, прийнято називати анодом A, крайню область n, до якої підключається негативний полюс цього джерела, -катодом К, а висновок від внутрішньої області р-керуючим електродом УЕ. Природно, що для напівпровідникового приладу такі визначення носять умовний характер, проте вони набули широкого поширення по аналогії з тиратронами і ними зручно користуватися при описі схем з цими приладами.

Згідно ГОСТ 15133-77 все переключають напівпровідникові прилади з двома стійкими станами, що мають три або більше р-п переходу, на

Рис .. Схематичне пристрій напівпровідникового приладу з четирехслой- ної структурою (а), уявлення його у вигляді двухтранзісторного схеми (б, в)

опиняються тиристорами. Прилади з двома висновками (анод і катод) називаються діодними тиристорами або діністоров, а прилади з трьома висновками (анод, катод, керуючий електрод) - т р і о д н и м і - трістор або тріністорамі.

Напівпровідниковий прилад з чотиришаровій структурою може бути моделирован комбінацією двох звичайних транзисторів з різними типами провідності (рис. 1.б.в); VT 1 зі структурою pn- p i і VT 2 зі структурою п-р-п. У транзистора VT 1 перехід J1 є емітерним, а перехід J2 колекторним, у транзистора УТ 2 емітерним служить перехід J3, а колекторним J2, таким чином, обидва транзистора мають загальний колекторний перехід J2 (рис. 1.б). Крайні області чотиришаровій напівпровідникової структури є емітерами, а внутрішні-базами і колекторами складових транзисторів VT 1 і VT 2.

База і колектор транзистора VT `з'єднуються відповідно з колектором і базою транзистора VT2, утворюючи ланцюг внутрішньої позитивного зворотного зв'язку (рис. 1.б.в). Дійсно, з рис. l.в видно, що колекторний струм Ik1 транзистора VT 1 одночасно є базовим струмом Іб 2, який відмикає транзистор VT 2, а колекторний струм Ik2 останнього-базовим струмом I б 1, який відмикає трамзістор VT 1, т. е. база кожного транзистора харчується колекторним струмом іншого транзистора.

2. Вольт-амперні характеристики .діодних і тріодних тиристорів

Режим роботи динисторов і тринисторов добре ілюструється їх 'статичними вольт-амперних характеристиками, з яких можна скласти уявлення про основні параметри цих приладів. На рис. 5, а наведена типова вольт-амперна характеристика динистора. Тут по горизонтальній осі .отложено напруга і між його анодом і катодом (анодна напруга), а по вертикальній-ток I, що протікає через прилад. Область характеристики при позитивних анодній напрузі утворює пряму гілку, а при негативних - зворотний гілка характеристики. На характеристиці можна виділити чотири ділянки, позначені на рис. 5, a арабськими цифрами, кожен з яких відповідає особливому станом чотиришаровій напівпровідникової структури.

Ділянка 1 характеристики відповідає закритому стану (в прямому .направленіі) динистора. На цій ділянці через динистор протікає невеликий струм Iзс ток приладу в закритому стані. У закритому стані опір проміжку анод-катод приладу велике і обернено пропорційно значенню струму Iзс. В межах ділянки 1 збільшення анодної напруги мало впливає на струм, поки не буде досягнуто напруга (точка а характеристики), при якому в чотиришаровій напівпровідникової структурі настає лавиноподібний процес наростання струму, і динистор перемикається у відкритий стан. Пряме напруга, відповідне точці а характеристики, називається напругою перемикання Uпрі, а струм, що протікає при цьому через прилад, -Ток перемикання Iпрі.

У процесі перемикання динистора у відкритий стан незначне збільшення струму супроводжується швидким зменшенням напруги на аноді приладу (ділянка 2), так як складові транзистори переходять в режим насичення (рис. L.б.в). Опір динистора в межах ділянки 2 стає негативним.

Ділянка 3 вольт-амперної характеристики відповідає відкритому станом приладу. В межах цієї ділянки все три р-п переходу напівпровідникової структури включені в прямому напрямку і відносно мала напруга, прикладена до приладу, може створити великий струм Iос у відкритому стані, який при даному напрузі джерела живлення практично визначається тільки опором зовнішнього ланцюга. Падіння напруги на відкритому приладі-напруга у відкритому стані U ос, як і у звичайного діода, незначно залежить від прямого струму. Що стосується значення найбільшого постійного струму, який може пропускати прилад в цьому режимі, то, як зазвичай в напівпровідникових структурах, він визначається площею

р-п переходу і умовами охолодження приладу.

Динистор зберігає відкритий стан, поки прямий струм Іпр буде

більше деякого мінімального значення-який утримує струму Iуд (точка б на характеристиці). При зниженні струму до значення Іпр динистор стрибком повернеться в закритий стан.

Таким чином, динистор може перебувати в одному з двох стійких станів. Перше (ділянка 1) характеризується великою напругою на приладі (Uзс) і незначним струмом '(I ЗС), що протікає через нього, а друге (ділянка 3) -Малий напругою на приладі (U ос) і великим струмом (I ос). Робоча точка на ділянці 2 вольт-ампердой характеристики знаходитися не мо * жет.


Ділянка 4 характеризує собою режим динистора, коли до його електродів докладено напруга зворотної полярності Uобр (плюс до катода, мінус до анода), - непроводящее стан в зворотному напрямку. Режим напівпровідникового приладу з чотиришаровій структурою при подачі напруги зворотної полярності визначається замикаючими властивостями р-п переходу J1 (рис. 1.а). Таким чином, зворотна гілка вольт-амперної характеристики фактично визначає режим переходу J1, включеного в зворотному напрямку, і має такий же вигляд, як і зворотна гілка характерис- тми звичайного кремнієвого діода. Зворотний струм Iобр малий і приблизно дорівнює течу в закритому стані. Якщо збільшувати (за абсолютним значенням) 'напруга Uoбp, то при деякому його значенні Uпроб, званим зворотною напругою пробою (точка а на ділянці 4), настає пробою переходу I1, який може привести до руйнування приладу. Тому подавати на напівпровідникові прилади з чотиришаровій структурою навіть на короткий час зворотна напруга, близьке до Uпроб, неприпустимо. Найбільше зворотна напруга, яка може витримувати прилад, вказується в його паспортних даних і при експлуатації не повинно перевищуватися.

Розглянемо тепер сімейство статичних вольт-амперних характеристик тринистора, зображене на рис. 5,6. Змінним параметром сімейства є значення струму I y в ланцюзі керуючого електрода.

Вольт-амперна характеристика при струмі I y = 0, по суті, являє собою характеристику динистора і володіє усіма особливостями, розглянутими вище. При подачі керуючого струму і його подальшому збільшенні (I "'y> I' 'y> I' y> Q) ділянки I і 2 характеристики коротшають, а напруга перемикання знижується (U" ПРК Кожна характеристика, відповідна більшого току I y, розташовується всередині попередньої. Нарешті, при деякому значенні керуючого струму I ' "у вольт-амперна на- рветерістіка тринистора взагалі« випрямляється »і стає подібною прямої гілки характеристики звичайного кремнієвого діода (рис 5,6). Відповідне еначеніе керуючого струму називається відмикає струмом управління 1'" у = 1у.от. Отже, при подачі такого струму управління тринистор перемикається з закритого стану у відкрите при будь-якому значенні прямого (анодного) напруги, що знаходиться в межах 0 упр <= U зс.

Керуючий електрод тринистора виконує роль своєрідного «підпалює» електрода (аналогічно дії сітки в тиратроні). Причому котра управляє вплив цього електрода проявляється лише в момент включення тринистора: закрити прилад або змінити значення струму, що протікає через відкритий прилад, змінюючи струм управління, неможливо. (Виняток становить спеціальний тип приладів - замикаються тиристори, які відкриваються позитивним, а закриваються негативним сигналами на керуючому електроді [2].)

Вимкнути відкритий тринистор можна, як і динистор, тільки зробивши прямий струм менше значення утримує струму Iуд (рис. 5.б).

Спосіб відкриття тринисторов струмом керуючого електрода має суттєві переваги, так як дозволяє комутувати великі потужності в навантаженні малопотужним керуючим сигналом (коефіцієнт посилення за проектною потужністю становить приблизно 5X10 2..2X10 3).

Важливою особливістю майже всіх типів напівпровідникових приладів з че- тирехслойной структурою є їх здатність працювати в імпульсних режимах з струмами, що значно перевищують допустимі постійні струми в відкритому стані. Так, наприклад, діністори КН102 при постійному струмі не більше 0.2А допускають імпульсний струм до 10 А, тріністори типів КУ203 і КУ216 здатні пропускати імпульсні струми до 100 А при допустимому постійному струмі 5 А і т. Д.


Включення тріодних тиристорів постійним і імпульсним струмами.

На рис. показані отпирающий сигнал (струм iу), тривалість фронту якого для простоти. прийнята рівною нулю, і крива наростання прямого струму, на якій відзначені дві точки, відповідні рівням 0,1 і 0,9 сталого значення струму I пр.

Час, необхідний для того, щоб струм тринистора досяг рівня 0,1 сталого значення, називається в р е м е н е м з а д е р ж до і п про управля- ющему електроду tу.зд. Часовий інтервал між рівнями 0,1 і 0,9 сталого значення струму називається в р е м е н е м н а р а с т а н і я п р я м о г о т о к а tпр.За точкою 0,9 I пр ток зростає значно повільніше, це-час поширення струму на всю провідну площа переходу. Рівні, за якими відраховуються із визначеними інтервалами, показані на рис.

Час включення по керуючому електроду тринистора t у.вкл, яке наводиться в довідкових даних:

t у.вкл = t у.зд + t нр

Зазвичай t у.зд в кілька разів більше t нр

і практично визначає час t у.вкл.

Протягом часу затримки t у.зд у внутрішній р-області накопичуєте мінімальний заряд, достатній для розвитку лавінооблазного процесу наростання струму через структуру. У цьому інтервалі часу через тринистор про- ходить невеликий струм, в основному визначається струмом керуючого електрода (16). Процес включення середнього переходу I2 (рис. 1.а) тільки розвивається, і, якщо протягом проміжку часу t у.зд зняти керуючий сигнал, три- Ністор повернеться в закритий стан. Час затримки в деяких межах залежить від струму управління I y: зростає при зменшенні струму Iу і дещо скорочується при збільшенні струму до значення імпульсного відмикає струму Iу.от.і. При токах Iу> Iу.от.і затримка t у.зд практично не змінюється.

В кінці інтервалу часу t у.зд прямий струм досягає значення струму удер- Екан, і в напівпровідниковій структурі починає розвиватися лавиноподібний процес наростання струму .. При великих токах управління, що мають фронт з крутизною кілька ампер в мікросекунду, зона початкової провідності середнього переходу збільшується. Швидкість поширення процесу включення в середньому (коллекторном) переході залежить від конструкції керуючого електрода структури і становить приблизно 1 ... 10 мм / мкс.

Час включення по керуючому електроду t у.вкл у малопотужних три- Ністор становить 1 ... 2 мкс, у приладів середньої потужності доходить до 10мкс. Прилади, спеціально призначені для імпульсного режиму роботи, мають менше значення t у.вкл. Наприклад, у тринисторов КУ104 воно не перевищує 0,3 мкс, а у тринисторов КУ216 0,15 мкс.

Для впевненого відмикання тринистора від джерела постійного струму значення керуючого струму Iу і керуючої напруги U у вибираються з умов

Iу> = Iу.от

Uу> = Uу.от

Iу Uу <= Ру

де Iу.от - постійний отпирающий ток управління: Uу.от - постійне відмикає напруга управління; Ру - допустима середня потужність, що розсіюється на керуючому електроді.

У ланцюгах постійного струму тріністори можуть відмовлятися різними спосо- бами. Конкретний спосіб управління багато в чому залежить від функцій пристрою. Один з найбільш простих способів, при якому джерело анодного харчування Uпит одночасно використовується і для отримання необхідного відмикає струму в ланцюзі керуючого електрода, ілюструється схемами на рис.


У схемі рис. 9а тринистор включається відразу при подачі анодного харчування, якщо сумарний опір анодного навантаження і резистора R1 обезструмлює ток керуючого електрода

I у = U піт / (R н + R1)> = I у. від.

Після відкривання приладу напруга на аноді знижується до значення Uос, все напруга джерела живлення практично виявляється прикладеним до нагтрузке і в ланцюзі керуючого електрода починає протікати незначний струм, рівний IУ = Uпит / R1.

Для відмикання тринистора в пристрої, показаному на рис. 9,6, необхідно короткочасно натиснути кнопку S1. Якщо при цьому значення струму Iу, прете-

розкаювана в ланцюзі управління, задовольняє пріведущему умові, то тринистор переключиться у відкритий стан. Зазвичай для надійного включення досить через ланцюг керуючого електрода пропустити струм

IУ = (1 ... 1,1) Iу.от, для чого опір резистора R1 (рис. 9,6), що обмежує струм керуючого електрода, розраховується за формулою

R1 = (0,9 ... 1) Uпит / I у. від (1)

Для схеми рис. 9. У рассчітамное за формулою (1) опір резистора Я, повинно бути зменшено на значення опору анодного навантаження R н.

Резистор R2 (рис. 9,6) забезпечує гальванічний зв'язок керуючого електрода з катодом, що збільшує стійкість роботи тринистора в режимі очікування (особливо при підвищеній температурі навколишнього середовища). Рекомендований опір цього резистора вказується в довідкових даних деяких типів тринисторов. Зазвичай у малопотужних приладів воно становить кілька сотень ом, а у приладів середньої потужності-приблизно 50 ... 100 Ом.

У схемі рис. 9. У тринистор відкривається і через навантаження починає проходити струм при розмиканні вимикача .S1. Такий спосіб відмикання тринистора менш економічний, ніж два попередніх, оскільки від джерела живлення постійно споживається струм, рівний Uпит / R1; при закритому приладі він протікає через замкнуті контакти S 1, а при розмиканні вимикача-через ланцюг керуючий електрод-катод тринистора. Опір резистора R 1 розраховується за формулою (1).


Широке поширення отримали імпульсні способи управління три- Ністор. які є найбільш економічними і дозволяють фіксувати момент включення приладу з високою точністю. Фактично схема рис. 9.б також ілюструє імпульсний спосіб відмикання-тривалість імпульсу дорівнює часу, поки замкнуті контакти кнопки S 1.

На рис. приведена схема пристрою, що виконує функції дверного кодового замка, яка ілюструє численні можливості практичного використання вимикачів на тріністорах з кнопковим управлінням.

Основу замку становить перемикач на трьох тріністорах VS 1 -VS 3, з'єднаних послідовно. У анодний ланцюг тринистора VS 3 включена обмотка електромагніту YA 1, сердечник якого служить запором для дверей. Ланцюжок послідовно з'єднаних тринисторов може бути переключена в провідний стан тільки при відмиканні кожного з них в певній послідовності: першим повинен бути відкритий тринистор VS 1, другим - VS 2 і, нарешті, - VS 3.

Відкриваються тріністори за допомогою кнопок, оговтується електроди три- Ністор можуть бути приєднані до контактів будь-яких трьох кнопок S 0 -S 9 пульта, встановленого на стіні із зовнішнього боку дверей. при показаному

на схемі з'єднанні керуючих електродів тринисторов з кнопками кодом замку є число 430, і тому першою повинна бути натиснута кнопка .S4, потім-кнопка S3 і останньої-кнопка S 0. Опору резисторів R1 і R2 забезпечують виконання умови Іпр> Iуд, тому після включення тринисторов VS1 і VS2 при короткочасному натисканні кнопок S4 і S3 відповідно ця прилади залишаються в провідному стані. Після натискання кнопки S0 включається тринистор VS3, напруга джерела живлення Uпит через замкнуті контакти вимикача SA1 і кнопки S10 подається на обмотку електромагніту YA1, при цьому одночасно загоряється сигнальна лампа HL1. Електромагніт втягує сердечник і таким чином відкриває замок двері. При відкриванні дверей контакти вимикача SA1 розмикаються і розривають ланцюг харчування, тріністори знову вимикаються, і після закривання дверей пристрій повертається в початковий стан.

Тринистор VS4 служить для того, щоб виключити можливість відкрити замок підбором коду. Контакти кнопок, невикористаних у коді, з'єднані між собою і підключені до керуючого електрода тріністора VS4. Якщо при спробі підібрати код буде натиснута будь-яка з цих кнопок, то тринистор VS4 відкриється і замкне ланцюг управління тринисторов VS1-VS3, і тоді жоден з них вже не зможете ввімкнути. Опір резистора R6 розраховується за формулою Uпит / R6> Iуд тому тринистор VS4 після відключення залишається в провідному стані. Такий же результат буде і при одночасному натисканні всіх кнопок, так як тринистор VS4 відкриється раніше, ніж три послідовно з'єднаних тринистора VS1-VS3. Корисно звернути увагу на те, що цій обставині сприяє також і більшого значення керуючого струму приладу VS4 в порівнянні з тріністорамі VS1-VS3. Щоб пристрій повернути в початковий стан після включення тринистора VS4, слід натиснути кнопку S10 «Виклик», контакти якої розривають ланцюг харчування тринистора VS4, і останній закривається. Одночасно прикінцеві контакти цієї кнопки включають дзвінок HA1 звукової сигналізації. До речі, цією кнопкою можна користуватися просто як кнопкою дзвінка, якщо хід замку ніхто не знає.

За допомогою кнопки S11 замок можна відкрити дистанційно з приміщення. При натисканні цієї кнопки тріністори VS1-VS3 замикаються накоротко і напруга живлення подається на обмотку електромагніту YA1. Кнопку S11 слід тримати натиснутою до тих пір, поки двері не буде відкрита.

Для зміни коду замку дроти, що йдуть від керуючих електродів тринисторов VS1-VS3, під'єднують до затискачів 0 ... 9 відповідно до кодовою числом; інші затискачі з'єднують між собою і підключають до керуючого електрода тріністора VS4.


  • I у = U піт / (R н + R1)> = I у. від.