Дисциплина «Твердотельная электроника» ТЕМА 5: «Тиристоры» Легостаев Николай Степанович, профессор кафедры «Промышленная электроника» Общие положения. Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Конструктивную основу большинства тиристоров составляет четырехслойная структура с чередующимися областями полупроводника р- и n-типа Внешние области называются эмиттерами, а внутренние – базами. Эмиттерные области омическими переходами связаны с металлическими электродами. Электрод p-эмиттера носит название анода, а n-эмиттера – катода. Выпрямляющие переходы между эмиттерами и базами тиристора называют эмиттерными переходами, а переход между p- и n-базой – коллекторным. Диодные тиристоры. Диодные тиристоры имеют два вывода: анод и катод. Среди диодных тиристоров различают: Диодные тиристоры на импульсные токи от 250 до 500 кА и напряжение 2400 В в герметичном металлокерамическом корпусе и в бескорпусном исполнении (размеры элементов 63, 76 и 100 мм). Диодные тиристоры. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, запираемого в обратном направлении. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, запираемого в обратном направлении, содержит пять областей, соответствующих пяти возможным режимам работы: 1) Режим прямого запирания (область 0 – 1). 2) Переходный участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, соответствующий неустойчивому состоянию тиристора (область 1 – 2). 3) Режим прямой проводимости (область 2 – 3). 4) Режим обратного запирания ( область 0 – 4). 5) Режим обратного пробоя (область 4 – 5). Рисунок 5.1 – Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, запираемого в обратном направлении. Диодные тиристоры. Двухтранзисторный аналог тиристора. Для объяснения поведения и определения условий переключения структуру тиристора можно представить в виде двухтранзисторной модели. Рисунок 5.2 – Двухтранзисторный аналог тиристора. Диодные тиристоры. Двухтранзисторный аналог тиристора. Ток в цепи тиристора при отсутствии тока в цепи управления – это ток, протекающий последовательно через все четыре слоя его структуры, а значит, через оба эмиттерный перехода и коллекторный переход КП. Поэтому Iа I э1 , I а I э2 , I а I кп . Ток через коллекторный переход I кп откуда 1I э1 Iа 2 I э2 I к обр I к обр 1 ( 1 2) ( 1 2 ) Iа I к обр , . При малых значениях тока I а коэффициенты 1 и 2 близки к нулю, поэтому очень малы составляющие анодного тока 1I э1 и 2 I э2 , а ток через тиристор обусловлен только обратным током коллекторного перехода. В этом режиме тиристор остается закрытым – на прямой ветви вольт-амперной характеристики это соответствует участку 0 – 1. Диодные тиристоры. Двухтранзисторный аналог тиристора. На участке 0 – 1 с увеличение анодного напряжения растет обратное напряжение на коллекторном переходе и немного возрастает ток I к обр , значит, и ток I а через тиристор. Рост тока анодного I а вызывает увеличение коэффициентов , что в свою очередь 1, 2 приводит к возрастанию составляющих 1I э1 и 2 I э2 и, как результат, более быстрому росту анодного тока В точке 1 мгновенно происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое. В этот момент ток скачком возрастает, а напряжение на тиристоре падает, причем это процесс неуправляем (участок 1 – 2 так называемого отрицательного динамического сопротивления). Напряжение и ток тиристора в точке «1» называют напряжением включения и током включения. Условие, необходимое для переключения тиристора из закрытого состояния в открытое: ( 1 2 ) 1. После включения тиристора его работа осуществляется при открытом состоянии, когда небольшое увеличение напряжения вызывает быстрый рост тока через тиристор (участок 2 – 3). Триодные тиристоры. Триодные тиристоры имеют три вывода, так как содержат дополнительный омический переход, связывающий одну из баз с управляющим электродом. Среди триодных тиристоров выделяют тиристоры, запираемые в обратном направлении, проводящие в обратном направлении и симметричные (двунаправленные). В зависимости от того, с какой базой связан управляющий электрод, различают тиристоры с управлением по аноду или по катоду. Кроме того, по способности к выключению под действием сигнала на управляющем электроде тиристоры делятся на однооперационные и двухоперационные (запираемые). Триодные тиристоры. Рисунок 5.3 – Структура триодного тиристора. В триодном тиристоре подачей соответствующего напряжения на управляющий электрод (УЭ), связанный омическим контактом с одной из баз, можно увеличить уровень инжекции через прилегающий к этой базе эмиттерный переход и вызвать тем самым включение тиристора при меньшем напряжении между анодом и катодом. Полярность напряжения, подаваемого на управляющий электрод, должна обеспечивать смещение соответствующего эмиттерного перехода в прямом направлении. Триодные тиристоры. Семейство вольт-амперных характеристик триодного тиристора. Назначение цепи управления состоит в управлении моментом включения тиристора при напряжениях в основной цепи меньших, чем напряжение U вкл . Увеличение тока управления сопровождается уменьшением напряжения включения тиристора. При определенном значении тока управления ( ток спрямления I ус ) на прямой ветви вольт-амперной характеристики исчезает участок отрицательного дифференциального сопротивления – вольт-амперная характеристика тиристора вырождается в прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода. Тиристор в этом случае включается, минуя запертое состояние, при подаче положительного напряжения на анод относительно катода. Триодные тиристоры. В режиме прямой проводимости через тиристор протекает большой основной ток, поэтому ток управления практически не оказывает влияния на соответствующий участок характеристики. Следовательно, после включения тиристора цепь управления может быть разомкнута, а тиристор будет продолжать находиться в открытом состоянии, пока протекающий ток не снизится до величины, меньшей тока удержания. Выключение тиристора может быть осуществлено уменьшением тока до величины, меньшей тока удержания. Конструктивное исполнение триодных тиристоров. Конструктивное исполнение триодных тиристоров. Тиристоры модульного типа Тиристоры модульного типа в силу своих конструктивных особенностей наиболее востребованы. В сравнении с таблеточными тиристорами данные изделия имеют малые габаритные размеры, более компактны, упрощена система их монтажа. Электрически изолированное основание для отвода тепла позволяет устанавливать на один общий охладитель большое количество модулей. Симметричные тиристоры. Симметричным тиристором, или симистором, называют тиристор, который переключается из закрытого состояния в открытое как в прямом, так и в обратном направлении. Симметричные тиристоры имеют симметричные вольт-амперные характеристики, то есть одинаковые по виду прямые и обратные ветви. В связи с этим симметричные тиристоры применяют как переключающие приборы в цепях переменного тока. Симметричные тиристоры. Симметричные тиристоры. В основную цепь включаются источник переменного напряжения и нагрузка, а в цепь управления – источник импульсов тока управления. Полупроводниковая структура симметричного тиристора Эквивалент симметричного тиристора в виде двух тиристоров Симметричные тиристоры. Вольт-амперная характеристика. Вольт-амперные характеристики симметричного тиристора в прямом направлении такие же, как для обычного тиристора, а в обратном направлении вольт-амперные характеристики аналогичны им, но располагаются симметрично в третьем квадранте системы координат. Семейство вольт-амперных характеристик симметричного тиристора. Способы управления тиристорами. Основными способами включения тиристоров являются увеличение напряжения между анодом и катодом и подача сигнала на управляющий электрод. При этом для диодных тиристоров первый способ является единственно возможным, тогда как для триодных тиристоров применимы оба способа, хотя более распространенным является второй из них. Вопросы для самоконтроля. 1. Какой участок характеристики диодного представленной на рисунке, режиму прямого запирания. 2. Какой участок характеристики диодного представленной на рисунке, режиму прямой проводимости. вольт-амперной тиристора, соответствует вольт-амперной тиристора, соответствует 3. Как ток управления триодного тиристора влияет на вольт-амперную характеристику: а) увеличение тока управления вызывает уменьшение напряжения включения, б) увеличение тока управления вызывает увеличение напряжения включения, в) увеличение тока управления вызывает рост тока удержания, г) увеличение тока управления вызывает уменьшение напряжения пробоя, д) при токе управления, равному току спрямления исчезают участки прямого запирания и отрицательного дифференциального сопротивления. Вопросы для самоконтроля. 4. Представлены условные графические обозначения диодных тиристоров: Укажите условное графическое обозначение диодного тиристора, запираемого в обратном направлении. 5. Представлены условные графические обозначения триодных тиристоров: Укажите условное графическое обозначение триодного управлением по катоду, проводящего в обратном направлении. тиристора с Рекомендуемая литература 1. Легостаев Н.С. Твердотельная электроника: учебное пособие / Н.С. Легостаев, К.В. Четвергов. – Томск: Эль Контент, 2011. – 244 с. ISBN 978-54332-0021-0 2. Легостаев Н.С. Твердотельная электроника: методические указания по изучению дисциплины / Н.С. Легостаев, К.В. Четвергов. – Томск: Эль Контент, 2012. – 52 с. ISBN 978-5-4332-0030-2 3. Легостаев Н.С. Твердотельная электроника: учеб. пособие / Н.С. Легостаев, П.Е. Троян, К.В. Четвергов. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007. – 476 с. ISBN 978-5-86889-422-0 4. Гуртов В.А. Твердотельная электроника: учеб. пособие / В.А. Гуртов. – М.: Техносфера, 2008. – 512 с. ISBN 978-5-94836-187-1 5. Щука А.А. Электроника: учеб. пособие / А.А. Щука; под ред. А.С. Сигова. – 2-е изд. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008. – 752 с. ISBN 978-5-97750160-6 Следующее занятие будет посвящено полевым транзисторам. Для подготовки к занятию изучите материал, представленный в разделе 6 учебного пособия (Легостаев Н.С. Твердотельная электроника: учебное пособие / Н.С. Легостаев, К.В. Четвергов. – Томск: Эль Контент, 2011. – 244 с. ISBN 978-5-4332-0021-0) на страницах 168 – 202. Необходимо твердо усвоить принцип действия и различия основных типов полевых транзисторов. Важно знать выходные и передаточные статические характеристики полевых транзисторов. Настоятельно рекомендуется приобрести навыки в применении уравнений вольт-амперных характеристик МДП-транзисторов с индуцированным каналом для определения крутизны, коэффициента усиления по напряжению, параметров импульсного режима работы. Схемы включения полевых транзисторов для усиления электрических сигналов, упрощенные малосигнальные эквивалентные схемы, соотношения параметров схем усиления, влияние частоты на усилительные свойства транзисторов и режим усиления больших импульсных сигналов в схеме с общим истоком составляют минимально необходимую теоретическую основу для последующего изучения схемотехнических дисциплин. Спасибо за внимание
