- •Полупроводниковые приборы
- •Полупроводники
- •Электронно-дырочный переход
- •Вентильное свойство идеального p-n перехода
- •Емкость идеального p-n перехода
- •Полупроводниковый диод
- •Вольт-амперная характеристика реального p-n перехода. Пробой
- •Полупроводниковые приборы с одним выпрямляющим переходом
- •Биполярный транзистор
- •Полевые транзисторы
- •Особенности мощных высоковольтных транзисторов
- •Однопереходные транзисторы
- •Тиристоры
- •Усилители
- •Каскадирование как принцип построения электронных устройств
- •Классификация усилителей
- •Основные параметры усилителей
- •Обратные связи в усилителях
- •Усилители на биполярных транзисторах
- •Обеспечение начального режима работы усилителя
- •Усилитель с эмиттерной стабилизацией
- •Математические модели биполярного транзистора
- •Расчет усилителя с эмиттерной стабилизацией по переменному току
- •Усилитель с ок
- •Фазоинверсный каскад
- •Усилители постоянного тока
- •Дифференциальный усилитель
- •Выходные каскады
- •Операционный усилитель
- •Операционный усилитель как идеальный усилитель
- •Передаточная характеристика оу
- •Скорость нарастания оу
- •Упрощенная внутренняя структура оу
- •Основные схемы включения оу
- •Компенсация смещения
- •Ослабление синфазных сигналов
- •Частотная коррекция операционного усилителя
- •Использование оу при однополярном питании
- •Усилители с промежуточным преобразованием
- •Импульсные усилители
- •Общие требования к ключевым каскадам
- •Ключи на биполярных транзисторах
- •Общая характеристика
- •Расчет ключа на биполярном транзисторе
- •Повышение быстродействия ключей на биполярных транзисторах
- •Ключи на полевых транзисторах
- •Общая характеристика
- •Особенности управления мощными полевыми транзисторами
- •Регулирование мощности с использованием ключевых схем
- •Схемы формирования заданного тока и напряжения
- •Источники вторичного электропитания
- •Структура и основные параметры
- •Выпрямители
- •Устройства стабилизации мгновенных значений напряжения
- •Устройства стабилизации среднего значения напряжения
- •Импульсные стабилизаторы напряжения
- •Генераторы сигналов
- •Частотно-зависимые устройства
- •Аналоговые фильтры
- •Синтез корректирующих звеньев
- •Схемная реализация корректирующих звеньев
- •Схемная реализация регулятора
- •Библиографический список
- •Оглавление
-
Тиристоры
Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более выпрямляющих перехода. Тиристор подобен ключу — два его устойчивых состояния — открытое и закрытое — соответствуют замкнутому и разомкнутому состояниям ключа. Тиристор может переключаться из открытого состояния в закрытое и обратно.
Тиристоры являются основными элементами в силовых устройствах, в частности, в мощных выпрямителях.
Существует большое количество типов тиристоров, различающихся по количеству выводов и по способам управления проводимостью. В простейшем случае тиристор имеет всего два вывода. Такой прибор называют диодным тиристором — динистором. Рассмотрим его внутреннюю структуру (рис. 39,а) и принцип работы.
Рис. 39 |
л7р1 |
При анализе полупроводниковую структуру, образующую динистор, рассматривают как совокупность двух биполярных транзисторов различной структуры (рис. 39,б). Причем база одного транзистора является коллектором другого, и наоборот. Поэтому средний переход динистора называют коллекторным, крайние — эмиттерными. Кроме того, в динисторе выделяют две эмиттерные области (n- и p- эмиттеры) и две базовые области (n- и p- базы).
Рассмотрим включение динистора в прямом направлении, т. е. при положительном потенциале на аноде. В этом случае эмиттерные p-n переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Так как коллекторный переход смещен в обратном направлении, то в некоторой области напряжений и токов включенный в прямом направлении динистор будет вести себя подобно включенному в обратном направлении диоду. Однако это подобие будет наблюдаться только до некоторого значения приложенного к динистору прямого напряжения.
С увеличением приложенного к динистору прямого напряжения будет увеличиваться прямое напряжение на эмиттерных переходах. Электроны, инжектированные из n-эмиттера в p-базу, диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются его полем и попадают в n-базу. Дальнейшему их движению будет препятствовать небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода. Поэтому часть электронов останется в n-базе и образует избыточный отрицательный заряд. Этот заряд несколько снизит потенциальный барьер правого эмиттерного перехода, что будет способствовать движению дырок через этот переход, т. е. будет наблюдаться увеличение инжекции дырок из p-эмиттера в n-базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в p-базу. Дальнейшему их движению будет препятствовать небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Поэтому часть дырок останется в p-базе и образует избыточный положительный заряд. Этот заряд несколько снизит потенциальный барьер левого эмиттерного перехода, что будет способствовать движению электронов через этот переход, т. е. будет наблюдаться увеличение инжекции электронов из n-эмиттера в p-базу. Таким образом, в динисторе имеются условия для возникновения положительной обратной связи по току, когда увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к возрастанию тока через другой эмиттерный переход.
Накопление носителей в базовых областях равносильно созданию дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить коллекторный переход в прямом направлении. Поэтому с увеличением напряжения на динисторе абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнет уменьшаться. При некотором значении внешнего напряжения высота потенциального барьера коллекторного перехода снижается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении — динистор открывается.
Полная ВАХ динистора показана на рис. 40,а. Закрытое состояние динистора соответствует участку прямой ветви от нулевой точки до точки А — точки переключения. Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на динисторе достигает максимального значения. В закрытом состоянии к динистору может быть приложено большое напряжение, но ток при этом будет оставаться незначительным.
Открытое состояние динистора соответствует низковольтному и низкоомному участку прямой ветви ВАХ. Между участками открытого и закрытого состояний находится участок неустойчивого состояния. В случае малого сопротивления во внешней цепи динистора может наблюдаться переключение динистора из открытого состояния в закрытое и обратно, которое показано на ВАХ пунктирными линиями.
В момент переключения из закрытого состояния в открытое через динистор начинает протекать большой ток, теоретически равный бесконечности (т. к. дифференциальное сопротивление равно нулю). Поэтому ток через динистор должен быть ограничен внешней нагрузкой.
|
||
а) |
б) |
|
Рис. 40 |
л7р2 |
В открытом состоянии динистор будет находиться до тех пор, пока за счет тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах, необходимый для смещения коллекторного перехода в прямом направлении. Если же ток через динистор уменьшится до некоторого значения, меньшего удерживающего тока IУД, то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество неравновесных носителей заряда в базовых областях динистора, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на выпрямляющих переходах динистора, уменьшится инжекция из эмиттерных областей, и динистор перейдет в закрытое состояние. Следовательно, удерживающий ток — это минимальный ток, необходимый для поддержания динистора в открытом состоянии.
Для схемы, приведенной на рис. 40,б, должно выполняться условие . Когда напряжение на динисторе достигнет напряжения включения, рабочая точка скачкообразно переместится из точки A в точку A' — напряжение на динисторе существенно уменьшится, напряжение (и мощность) на нагрузке возрастет. При снижении тока, текущего через нагрузку и динистор, до уровня удерживающего рабочая точка переместится из точки B в точку B’ — динистор закроется.
При обратном включении динистора его эмиттерные переходы оказываются включенными в обратном направлении и отсутствуют условия для протекания тока. Обратная ветвь ВАХ динистора похожа на соответствующую ветвь ВАХ диода. Обратное напряжение на динисторе ограничено напряжением лавинного пробоя p-n переходов.
Таким образом, динистор переводится в открытое состояние при превышении напряжения на нем некоторого напряжения включения. Для того, чтобы перевести динистор в закрытое состояние, необходимо уменьшить протекающий через него ток до значений, меньших удерживающего тока. Распространенный способ переключения динистора в закрытое состояние — разрывание цепи протекания тока через динистор.
Рис. 41 |
На практике наиболее часто используются тиристоры, имеющие три электрода — два основных и один управляющий. Такие тиристоры называют триодными тиристорами (тринисторами) или просто тиристорами. Управление тринистором, т. е. выполнение переключения его в открытое состояние, обычно осуществляют при помощи управляющего электрода. Реже используется управление, аналогичное управлению динистором, без использования управляющего электрода.
|
|
а) |
б) |
Рис. 42 |
Изображенный на рисунке тринистор может быть переведен в открытое состояние подачей на управляющий электрод импульса, положительной, относительно катода, полярности. Это вызовет увеличение инжекции электронов через левый p-n переход. Из-за наличия положительной обратной связи это приведет к возникновению избыточных зарядов в базах тринистора. Управляющий импульс может быть коротким и иметь незначительную амплитуду. В общем случае требуемая для открывания тринистора амплитуда управляющего импульса связана с напряжением приложенным к тринистору — чем большее прямое напряжение приложено к тринистору, тем меньшее управляющее напряжение требуется. С другой стороны, изменяя величину управляющего напряжения, можно открывать тринистор различным прямым напряжением.
ВАХ тринистора состоит из семейства кривых, определяющих связь между током через тринистор и приложенным к нему напряжением при различных значениях управляющего напряжения (рис. 42,б). Следует отметить, что работа тринистора при постоянном значении управляющего напряжения не характерна. Обычно на управляющий электрод поступает импульс. В этом случае ВАХ, показанные на рис. 42,б, являются малоинформативными.
Способность тринистора открываться при разном прямом напряжении от управляющего напряжения широко используется в регуляторах мощности, изменяющих средний ток в нагрузке. На рис. 43,а представлена схема простого регулятора мощности. Напряжение — переменное, пульсирующее напряжение между катодами диода и тринистора (верхний график на рис. 43,б) назовем питающим. В зависимости от сопротивления переменного резистора тринистор будет открываться при различных значениях питающего напряжения. Средний график на рис. 43,б показывает напряжение на нагрузке при относительно небольшой величине сопротивления . С увеличением этого сопротивления тринистор будет открыт в течение меньшего интервала времени (нижний график на рис. 43,б), что приведет к снижению мощности на нагрузке. Закрывается тринистор при спадании питающего напряжения до нуля.
а) |
б) |
Рис. 43 |
Существуют незапираемые и запираемые тринисторы. В незапираемых тринисторах не существует возможность его закрывания при помощи напряжения на управляющем электроде. В запираемых тринисторах подключение к управляющему электроду напряжения обратной по отношению к открывающему полярности приводит к закрыванию тринистора. Этот процесс объясняется отводом из базы, имеющей управляющий электрод, носителей, создающих в ней избыточный заряд. В силу этого происходит смещение коллекторного перехода в обратном направлении и закрытие тринистора. Однако при протекающем через тринистор основном токе, большем некоторого предельного значения, процесс запирания с использованием управляющего электрода становится невозможным.
Рис. 44 |
Основными характеристиками тиристоров являются максимальный прямой ток, максимальное прямое напряжение, максимальное обратное напряжение, время включения, время выключения, ток управления, ток удержания.