При каком напряжении включается лавинный тиристор. Принцип работы и применение симисторов в силовой электронике

Эта схема позволяет проверить работу симистора в обоих направлениях и при различной полярности управляющего сигнала.

Особенности применения симисторов

При использовании симисторов следует учитывать некоторые особенности:

• Необходимость отвода тепла (примерно 1-1.5 Вт на 1 А тока)
• Чувствительность к помехам и переходным процессам
• Ограничение по частоте переключения

Для защиты от помех рекомендуется:

• Шунтировать симистор RC-цепочкой
• Минимизировать длину проводов к управляющему электроду
• Использовать экранированные провода

Соблюдение этих рекомендаций позволит обеспечить надежную работу устройств на симисторах.

Заключение

Симисторы являются эффективными полупроводниковыми приборами для управления мощностью в цепях переменного тока. Их применение позволяет создавать компактные и надежные устройства силовой электроники. При правильном применении симисторы обеспечивают высокую эффективность и долговечность работы различного электрооборудования.

Лавинный тиристор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Лавинный тиристор

Cтраница 1

Лавинные тиристоры не повреждаются при подаче на них больших напряжений и могут работать без дополнительных устройств защиты и равномерного распределения напряжения между последовательно соединенными вентилями, которые необходимы для обычных тиристоров.  [1]

Лавинные тиристоры успешно применяются в схемах полупроводниковых разрядников ( рис. 6), служащих для защиты преобразовательных устройств.  [3]

Лавинные тиристоры ПТЛ ( УПВКЛ) предназначены для применения в регулируемых выпрямителях, преобразователях частоты и других устройствах: при частоте тока от 50 до 2 000 гц.  [4]

Лавинные тиристоры ТЛ ( ВКДУЛ) и ТЛВ ( ВКДУЛВ) предназначены для применения в статических силовых преобразователях электрической энергии, а также в цепях постоянного и переменного тока с частотой от 50 до 400 гц.  [5]

Лавинные тиристоры ТЛ предназначены для применения в статических преобразователях электроэнергии, а также в цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 гц различных силовых установок.  [6]

Лавинные тиристоры серии УПВКЛ предназначены для работы в регулируемых выпрямителях, преобразователях частоты и других устройствах, рассчитанных на ток частотой до 2 000 гц. Конструкция корпуса обеспечивает работу вентилей при значительных линейных вибрационных и ударных ускорениях.  [8]

Для лавинных тиристоров этот параметр является обязательным.  [9]

Применение в лавинных тиристорах распределенного шунтирования ( рис. 4.12, а) обеспечивает достаточную температурную стабилизацию напряжения переключения, что позволяет повысить рабочую температуру без снижения напряжения переключения ( рис. 4.12, б), а следовательно, и допустимую плотность рабочего тока. При этом напряжение переключения даже при больших перегрузках снижается незначительно.  [11]

Применение в лавинных тиристорах распределенного шунтирования позволяет также значительно увеличить ток переключения.  [12]

Аналогично лавинным диодам промышленность выпускает лавинные тиристоры, которые способны рассеивать большую, чем обычные управляемые вентили, мощность при прохождении обратного тока.  [13]

При изготовлении приборов с контролируемым лавинообразованием ( лавинных тиристоров) используются такие же технологические приемы, как и в производстве лавинных диодов. Лавинные тиристоры допускают меньшие эксплуатационные коэффициенты запаса по напряжению и не.  [14]

Страницы:      1    2

Как из тиристоров сделать симистор

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Определение

Тиристор (тринистор) — это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый — значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор — двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках «zero crossing detector circuit» или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Заключение

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

Источник: electrik.info

Если проанализировать путь развития полупроводниковой электроники, то почти сразу становится понятно, что все полупроводниковые приборы созданы на переходах или слоях (n-p, p-n).

Простейший полупроводниковый диод имеет один переход (p-n) и два слоя.

У биполярного транзистора два перехода и три слоя (n-p-n, p-n-p). А что будет, если добавить ещё один слой?

Тогда мы получим четырёхслойный полупроводниковый прибор, который называется тиристор. Два тиристора включенные встречно-параллельно и есть симистор, то есть симметричный тиристор.

В англоязычной технической литературе можно встретить название ТРИАК (TRIAC – triode for alternating current).

Вот таким образом симистор изображается на принципиальных схемах.

У симистора три электрода (вывода). Один из них управляющий. Обозначается он буквой G (от англ. слова gate – «затвор»). Два остальных – это силовые электроды (T1 и T2). На схемах они могут обозначаться и буквой A (A1 и A2).

А это эквивалентная схема симистора выполненного на двух тиристорах.

Следует отметить, что симистор управляется несколько по-другому, нежели эквивалентная тиристорная схема.

Симистор достаточно редкое явление в семье полупроводниковых приборов. По той простой причине, что изобретён и запатентован он был в СССР, а не в США или Европе. К сожалению, чаще бывает наоборот.

Как работает симистор?

Если у тиристора есть конкретные анод и катод, то электроды симистора так охарактеризовать нельзя, поскольку каждый электрод является и анодом, и катодом одновременно. Поэтому в отличие от тиристора, который проводит ток только в одном направлении, симистор способен проводить ток в двух направлениях. Именно поэтому симистор прекрасно работает в сетях переменного тока.

Очень простой схемой, характеризующей принцип работы и область применения симистора, может служить электронный регулятор мощности. В качестве нагрузки можно использовать что угодно: лампу накаливания, паяльник или электровентилятор.

Симисторный регулятор мощности

После подключения устройства к сети на один из электродов симистора подаётся переменное напряжение. На электрод, который является управляющим, с диодного моста подаётся отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор откроется, и ток пойдёт в нагрузку. В тот момент, когда напряжение на входе симистора поменяет полярность, он закроется. Потом процесс повторяется.

Чем больше уровень управляющего напряжения, тем быстрее включится симистор и длительность импульса на нагрузке будет больше. При уменьшении управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке будет меньше. После симистора напряжение имеет пилообразную форму с регулируемой длительностью импульса. В данном случае, изменяя управляющее напряжение, мы можем регулировать яркость электрической лампочки или температуру жала паяльника.

Симистор управляется как отрицательным, так и положительным током. В зависимости от полярности управляющего напряжения рассматривают четыре, так называемых, сектора или режима работы. Но этот материал достаточно сложен для одной статьи.

Если рассматривать симистор, как электронный выключатель или реле, то его достоинства неоспоримы:

По сравнению с электромеханическими приборами (электромагнитными и герконовыми реле) большой срок службы.

Отсутствие контактов и, как следствие, нет искрения и дребезга.

К недостаткам можно отнести:

Симистор весьма чувствителен к перегреву и монтируется на радиаторе.

Не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое.

Реагирует на внешние электромагнитные помехи, что вызывает ложное срабатывание.

Для защиты от ложных срабатываний между силовыми выводами симистора подключается RC-цепочка. Величина резистора R1 от 50 до 470 ом, величина конденсатора C1 от 0,01 до 0,1 мкф. В некоторых случаях эти величины подбираются экспериментально.

Основные параметры симистора.

Основные параметры удобно рассмотреть на примере популярного отечественного симистора КУ208Г. Будучи разработан и выпущен достаточно давно, он продолжает оставаться востребованным у любителей сделать что-то своими руками. Вот его основные параметры.

Максимальное обратное напряжение – 400V. Это означает, что он прекрасно может управлять нагрузкой в сети 220V и ещё с запасом.

В импульсном режиме напряжение точно такое же.

Максимальный ток в открытом состоянии – 5А.

Максимальный ток в импульсном режиме – 10А.

Наименьший постоянный ток, необходимый для открытия симистора – 300 мА.

Наименьший импульсный ток – 160 мА.

Открывающее напряжение при токе 300 мА – 2,5 V.

Открывающее напряжение при токе 160 мА – 5 V.

Время включения – 10 мкс.

Время выключения – 150 мкс.

Как видим, для открывания симистора необходимым условием является совокупность тока и напряжения. Больше ток, меньше напряжение и наоборот. Следует обратить внимание на большую разницу между временем включения и выключения (10 мкс. против 150 мкс.).

Оптосимистор.

Современная и перспективная разновидность симистора – это оптосимистор. Название говорит само за себя. Вместо управляющего электрода в корпусе симистора находится светодиод, и управление осуществляется изменением напряжения на светодиоде. На изображении показан внешний вид оптосимистора MOC3023 и его внутреннее устройство.

Оптосимистор MOC3023

Устройство оптосимистора

Как видим, внутри корпуса смонтирован светодиод и симистор, который управляется за счёт излучения светодиода. Выводы, отмеченные как N/C и NC, не используются, и не подключаются к элементам схемы. NC – это сокращение от Not Connect, которое переводится с английского как «не подключается».

Самое ценное в оптосимисторе это то, что между цепью управления и силовой цепью осуществлена полная гальваническая развязка. Это повышает уровень электробезопасности и надёжности всей схемы.

Источник: go-radio.ru

Симисторы: принцип работы, проверка и включение, схемы

Существенный недостаток тиристоров заключается в том, что это однополупериодные элементы, соответственно, в цепях переменного тока они работают с половинной мощностью. Избавиться от этого недостатка можно используя схему встречно-параллельного включения двух однотипных устройств или установив симистор. Давайте разберемся, что представляет собой этот полупроводниковый элемент, принцип его функционирования, особенности, а также сферу применения и способы проверки.

Что такое симистор?

Это один из видов тиристоров, отличающийся от базового типа большим числом p-n переходов, и как следствие этого, принципом работы (он будет описан ниже). Характерно, что в элементной базе некоторых стран данный тип считается самостоятельным полупроводниковым устройством. Эта незначительная путаница возникла вследствие регистрации двух патентов, на одно и то же изобретение.

Описание принципа работы и устройства

Основное отличие этих элементов от тиристоров заключается в двунаправленной проводимости электротока. По сути это два тринистора с общим управлением, включенных встречно-параллельно (см. А на рис. 1) .

Рис. 1. Схема на двух тиристорах, как эквивалент симистора, и его условно графическое обозначение

Это и дало название полупроводниковому прибору, как производную от словосочетания «симметричные тиристоры» и отразилось на его УГО. Обратим внимание на обозначения выводов, поскольку ток может проводиться в оба направления, обозначение силовых выводов как Анод и Катод не имеет смысла, потому их принято обозначать, как «Т1» и «Т2» (возможны варианты ТЕ1 и ТЕ2 или А1 и А2). Управляющий электрод, как правило, обозначается «G» (от английского gate).

Теперь рассмотрим структуру полупроводника (см. рис. 2.) Как видно из схемы, в устройстве имеется пять переходов, что позволяет организовать две структуры: р1-n2-p2-n3 и р2-n2-p1-n1, которые, по сути, являются двумя встречными тринисторами, подключенными параллельно.

Рис. 2. Структурная схема симистора

Когда на силовом выводе Т1 образуется отрицательная полярность, начинается проявление тринисторного эффекта в р2-n2-p1-n1, а при ее смене — р1-n2-p2-n3.

Заканчивая раздел о принципе работы приведем ВАХ и основные характеристики прибора.

ВАХ симистора

Обозначение:

• А – закрытое состояние.
• В – открытое состояние.
• U_DRM (U_ПР) – максимально допустимый уровень напряжения при прямом включении.
• U_RRM (U_ОБ) – максимальный уровень обратного напряжения.
• I_DRM (I_ПР) – допустимый уровень тока прямого включения
• I_RRM (I_ОБ) — допустимый уровень тока обратного включения.
• I_Н (I_УД) – значения тока удержания.

Особенности

Чтобы иметь полное представление о симметричных тринисторах, необходимо рассказать про их сильные и слабые стороны. К первым можно отнести следующие факторы:

• относительно невысокая стоимость приборов;
• длительный срок эксплуатации;
• отсутствие механики (то есть подвижных контактов, которые являются источниками помех).

В число недостатков приборов входят следующие особенности:

• Необходимость отвода тепла, примерно из расчета 1-1,5 Вт на 1 А, например, при токе 15 А величина мощности рассеивания будет около 10-22 Вт, что потребует соответствующего радиатора. Для удобства крепления к нему у мощных устройств один из выводов имеет резьбу под гайку.

Симистор с креплением под радиатор

• Устройства подвержены влиянию переходных процессов, шумов и помех;
• Не поддерживаются высокие частоты переключения.

По последним двум пунктам необходимо дать небольшое пояснение. В случае высокой скорости коммутации велика вероятность самопроизвольной активации устройства. Помеха в виде броска напряжения также может привести к этому результату. В качестве защиты от помех рекомендуется шунтировать прибор RC цепью.

RC-цепочка для защиты симистора от помех

Помимо этого рекомендуется минимизировать длину проводов ведущих к управляемому выводу, или в качестве альтернативы использовать экранированные проводники. Также практикуется установка шунтирующего резистора между выводом T1 (TE1 или A1) и управляющим электродом.

Применение

Этот тип полупроводниковых элементов первоначально предназначался для применения в производственной сфере, например, для управления электродвигателями станков или других устройств, где требуется плавная регулировка тока. Впоследствии, когда техническая база позволила существенно уменьшить размеры полупроводников, сфера применения симметричных тринисторов существенно расширилась. Сегодня эти устройства используются не только в промышленном оборудовании, а и во многих бытовых приборах, например:

• зарядные устройства для автомобильных АКБ;
• бытовое компрессорное оборудования;
• различные виды электронагревательных устройств, начиная от электродуховок и заканчивая микроволновками;
• ручные электрические инструменты (шуроповерт, перфоратор и т.д.).

И это далеко не полный перечень.

Одно время были популярны простые электронные устройства, позволяющие плавно регулировать уровень освещения. К сожалению, диммеры на симметричных тринисторах не могут управлять энергосберегающими и светодиодными лампами, поэтому эти приборы сейчас не актуальны.

Как проверить работоспособность симистора?

В сети можно найти несколько способ, где описан процесс проверки при помощи мультиметра, те, кто описывал их, судя по всему, сами не пробовали ни один из вариантов. Чтобы не вводить в заблуждение, следует сразу заметить, что выполнить тестирование мультиметром не удастся, поскольку не хватит тока для открытия симметричного тринистора. Поэтому, у нас остается два варианта:

1. Использовать стрелочный омметр или тестер (их силы тока будет достаточно для срабатывания).
2. Собрать специальную схему.

Алгоритм проверки омметром:

1. Подключаем щупы прибора к выводам T1 и T2 (A1 и A2).
2. Устанавливаем кратность на омметре х1.
3. Проводим измерение, положительным результатом будет бесконечное сопротивление, в противном случае деталь «пробита» и от нее можно избавиться.
4. Продолжаем тестирование, для этого кратковременно соединяем выводы T2 и G (управляющий). Сопротивление должно упасть примерно до 20-80 Ом.
5. Меняем полярность и повторяем тест с пункта 3 по 4.

Если в ходе проверки результат будет таким же, как описано в алгоритме, то с большой вероятностью можно констатировать, что устройство работоспособное.

Заметим, что проверяемую деталь не обязательно демонтировать, достаточно только отключить управляющий вывод (естественно, обесточив предварительно оборудование, где установлена деталь, вызывающая сомнение).

Необходимо заметить, что данным способом не всегда удается достоверно проверку, за исключением тестирования на «пробой», поэтому перейдем ко второму варианту и предложим две схемы для тестирования симметричных тринисторов.

Схему с лампочкой и батарейкой мы приводить не будем в виду того, что таких схем достаточно в сети, если вам интересен этот вариант, можете посмотреть его в публикации о тестировании тринисторов. Приведем пример более действенного устройства.

Схема простого тестера для симисторов

Обозначения:

• Резистор R1 – 51 Ом.
• Конденсаторы C1 и С2 – 1000 мкФ х 16 В.
• Диоды – 1N4007 или аналог, допускается установка диодного моста, например КЦ405.
• Лампочка HL – 12 В, 0,5А.

Можно использовать любой трансформатор с двумя независимыми вторичными обмотками на 12 Вольт.

Алгоритм проверки:

1. Устанавливаем переключатели в исходное положение (соответствующее схеме).
2. Производим нажатие на SB1, тестируемое устройство открывается, о чем сигнализирует лампочка.
3. Жмем SB2, лампа гаснет (устройство закрылось).
4. Меняем режим переключателя SA1 и повторяем нажатие на SB1, лампа снова должна зажечься.
5. Производим переключение SA2, нажимаем SB1, затем снова меня ем положение SA2 и повторно жмем SB1. Индикатор включится, когда на затвор попадет минус.

Теперь рассмотрим еще одну схему, только универсальную, но также не особо сложную.

Схема для проверки тиристоров и симисторов

Обозначения:

• Резисторы: R1, R2 и R4 – 470 Ом; R3 и R5 – 1 кОм.
• Емкости: С1 и С2 – 100 мкФ х 10 В.
• Диоды: VD1, VD2, VD5 и VD6 – 2N4148; VD2 и VD3 – АЛ307.

В качестве источника питания используется батарейка на 9V, по типу Кроны.

Тестирование тринисторов производится следующим образом:

1. Переключатель S3, переводится в положении, как продемонстрировано на схеме (см. рис. 6).
2. Кратковременно производим нажатие на кнопку S2, тестируемый элемент откроется, о чем просигнализирует светодиод VD
3. Меняем полярность, устанавливая переключатель S3 в среднее положение (отключается питание и гаснет светодиод), потом в нижнее.
4. Кратковременно жмем S2, светодиоды не должны загораться.

Если результат будет соответствовать вышеописанному, значит с тестируемым элементом все в порядке.

Теперь рассмотрим, как проверить с помощью собранной схемы симметричные тринисторы:

• Выполняем пункты 1-4.
• Нажимаем кнопку S1- загорается светодиод VD

То есть, при нажатии кнопок S1 или S2 будут загораться светодиоды VD1 или VD4, в зависимости от установленной полярности (положения переключателя S3).

Схема управления мощностью паяльника

В завершении приведем простую схему, позволяющую управлять мощностью паяльника.

Простой регулятор мощности для паяльника

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – 3,3 кОм, R3 – 20 кОм, R4 – 1 Мом.
• Емкости: С1 – 0,1 мкФ х 400В, С2 и С3 — 0,05 мкФ.
• Симметричный тринистор BTA41-600.

Приведенная схема настолько простая, что не требует настройки.

Теперь рассмотрим более изящный вариант управления мощностью паяльника.

Схема управления мощностью на базе фазового регулятора

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 680 Ом, R2 – 1,4 кОм, R3 — 1,2 кОм, R4 и R5 – 20 кОм (сдвоенное переменное сопротивление).
• Емкости: С1 и С2 – 1 мкФ х 16 В.
• Симметричный тринистор: VS1 – ВТ136.
• Микросхема фазового регулятора DA1 – KP1182 ПМ1.

Настройка схемы сводится к подбору следующих сопротивлений:

• R2 – с его помощью устанавливаем необходимую для работы минимальную температуру паяльника.
• R3 – номинал резистора позволяет задать температуру паяльника, когда он находится на подставке (срабатывает переключатель SA1),

Источник: www.asutpp.ru

Чем симистор отличается от тиристора

Тиристором называется управляемый полупроводниковый переключатель, обладающий односторонней проводимостью. В открытом состоянии он ведет себя подобно диоду, а принцип управления тиристором отличается от транзистора, хотя и тот и другой имеют по три вывода и обладают способностью усиливать ток.

Выводы тиристора — это анод, катод и управляющий электрод.

Анод и катод — это электроды электронной лампы или полупроводникового диода. Их лучше запомнить по изображению диода на принципиальных электрических схемах. Представьте, что электроны выходят из катода расходящимся пучком в виде треугольника и приходят на анод, тогда вывод от вершины треугольника — катод с отрицательным зарядом, а противоположный вывод — анод с положительным зарядом.

Подав на управляющий электрод определенное напряжение относительно катода, можно перевести тиристор в проводящее состояние. А для того чтобы тиристор вновь запереть, необходимо сделать его рабочий ток меньшим, чем ток удержания данного тиристора.

Тиристор, как полупроводниковый электронный компонент, состоит из четырех слоев полупроводника (кремния) p и n-типа. На рисунке верхний вывод — это анод — область p-типа, снизу — катод — область n-типа, сбоку выведен управляющий электрод — область p-типа. К катоду присоединяется минусовая клемма источника питания, а в цепь анода включается нагрузка, питанием которой следует управлять.

Воздействуя на управляющий электрод сигналом определенной длительности, можно очень легко управлять нагрузкой в цепи переменного тока, отпирая тиристор на определенной фазе периода сетевой синусоиды, тогда закрытие тиристора будет происходить автоматически при переходе синусоидального тока через ноль. Это несложный и весьма популярный способ регулирования мощности активной нагрузки.

В соответствии с внутренним устройством тиристора, в запертом состоянии его можно представить цепочкой из трех диодов, соединенных последовательно, как показано на рисунке. Видно, что в запертом состоянии данная схема не пропустит ток ни в одном, ни в другом направлении. Теперь представим тиристор схемой замещения на транзисторах.

Видно, что достаточный базовый ток нижнего n-p-n-транзистора приведет к возрастанию его коллекторного тока, который тут же явится базовым током верхнего p-n-p-транзистора.

Верхний p-n-p-транзистор теперь отпирается, и его коллекторный ток складывается с базовым током нижнего транзистора, и тот поддерживается в открытом состоянии благодаря наличию в данной схеме положительной обратной связи. И если сейчас перестать подавать напряжение на управляющий электрод, открытое состояние все равно останется таковым.

Чтобы запереть эту цепочку, придется как-то прервать общий коллекторный ток данных транзисторов. Разные способы отключения (механические и электронные) показаны на рисунке.

Симистор, в отличие от тиристора, имеет шесть слоев кремния, и в проводящем состоянии он проводит ток не в одном, а в обоих направлениях, словно замкнутый выключатель. По схеме замещения его можно представить как два тиристора, включенных встречно-параллельно, только управляющий электрод остается один общий на двоих. А после открытия симистора, чтобы ему закрыться, полярность напряжения на рабочих выводах должна измениться на противоположную или рабочий ток должен стать меньше чем ток удержания симистора.

Если симистор установлен для управления питанием нагрузки в цепи переменного или постоянного тока, то в зависимости от текущей полярности и направления тока управляющего электрода, более предпочтительными окажутся определенные способы управления для каждой ситуации. Все возможные сочетания полярностей (на управляющем электроде и в рабочей цепи) можно представить в виде четырех квадрантов.

Стоит отметить, что квадранты 1 и 3 соответствуют обычным схемам управления мощностью активной нагрузки в цепях переменного тока, когда полярности на управляющем электроде и на электроде А2 в каждом полупериоде совпадают, в таких ситуациях управляющий электрод симистора достаточно чувствителен.

Источник: electricalschool.info

Эквиваленты транзистора, динистора, тиристора, варикапа, замена деталей

В современных радиоэлектронных устройствах используется весьма широкий ассортимент самых разнообразных электронных приборов. Порой отсутствие одного или нескольких таких элементов может затормозить или даже прервать выполнение работы по монтажу или макетированию схемы.

Очень часто встречаются ситуации, когда необходимо один элемент заменить другим. Если речь идет о простой замене одного номинала резистора или конденсатора на другой, то решение задачи замены или подбора заменяющего номинала очевидно. Менее очевидны замены радиоэлементов, имеющих специфические, только им присущие свойства.

Ниже будут рассмотрены вопросы замены некоторых специальных полупроводниковых приборов их эквивалентами, выполненными из более доступных элементов.

В импульсной технике широко используют управляемые и неуправляемые коммутирующие элементы, имеющие вольт-амперную характеристику с N- или S-образным участком. Это лавинные транзисторы, газовые разрядники, динисторы, тиристоры, симисторы, однопереходные транзисторы, лямбда-диоды, туннельные диоды, инжекционно-полевые транзисторы и другие элементы.

В релаксационных генераторах импульсов, различных преобразователях электрических и неэлектрических величин в частоту широко используют биполярные лавинные транзисторы. Следует отметить, что специально такие транзисторы почти не выпускают. На практике в этих целях используют обычные транзисторы в необычном включении или режиме эксплуатации.

Эквивалент лавинного транзистора и динистора

Лавинный транзистор — полупроводниковый прибор, работающий в режиме лавинного пробоя. Такой пробой обычно возникает при напряжении, превышающем предельно допустимое значение.

Не допустить теплового пробоя (необратимого повреждения) транзистора можно при ограничении тока через транзистор (подключением высокоомной нагрузкой).

Лавинный пробой транзистора может наступать в «прямом» и «инверсном» включении транзистора. Напряжение лавинного пробоя при инверсном включении (полярность подключения полупроводникового прибора противоположна общепринятой, рекомендованной) обычно ниже, чем для «прямого» включения.

Вывод базы транзистора часто не используется (не подключается к другим элементам схемы). В ряде случаев базовый вывод соединяют с эмиттером через высокоом-ный резистор (сотни кОм — ед. МОм). Это позволяет в некоторых пределах регулировать величину напряжения лавинного пробоя.

На рис. 1 приведена схема равноценной замены «лавинного» транзистора интегрального прерывателя К101КТ1 ее дискретными аналогами. Интересно отметить, что при ближайшем рассмотрении эта схема тождественна эквивалентной схеме динистора (рис. 1), тиристора (рис. 2) и однопереходного транзистора (рис. 4).

Отметим попутно, что и вид вольт-амперных характеристик всех этих полупроводниковых приборов имеет общие характерные особенности. На их вольт-амперных характеристиках имеется S-образный участок, участок с так называемым «отрицательным» динамическим сопротивлением. Благодаря такой особенности вольт-амперной характеристики перечисленные приборы могут использоваться для генерации электрических колебаний.

Рис. 1. Аналог лавинного транзистора и динистора.

Эквивалент тиристора

Тиристоры, динисторы и им подобные элементы способны при весьма незначительных внутренних потерях управлять большими мощностями, подводимыми к нагрузке.

Тиристоры — приборы, обладающие двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (проводимость отсутствует, прибор заперт) и состоянием высокой проводимости (проводимость близка к нулю, прибор открыт). Представители класса тиристоров [Вишневский А.И]:

• диодные тиристоры (динисторы, диаки), имеющие два вывода (анод и катод), управляемые путем подачи на электроды напряжения с высокой скоростью его нарастания или повышения приложенного напряжения до величины, близкой к критической;
• триодные тиристоры (тринисторы, триаки), трехэлектродные элементы, управляющий электрод которых служит для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое;
• тетродные тиристоры, имеющие два управляющих электрода;
• симметричные тиристоры — симисторы, имеющие пятислой-ную структуру. Иногда этот полупроводниковый прибор называют семистором.

Диодные тиристоры (динисторы), ассортимент которых не столь велик, различаются, главным образом, максимально допустимым постоянным прямым напряжением в закрытом состоянии.

Так, для динисторов типов КН102А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, И (2Н102А — И) значения этих напряжений составляют, соответственно, 5, 7, 10, 14, 20, 30, 40, 50 В при обратном токе не более 0,5 мА. Максимально допустимый постоянный ток в открытом состоянии для этих полупроводниковых приборов равен 0,2 А при остаточном напряжении в открытом состоянии 1,5 В.

На рис. 1 приведена эквивалентная схема низковольтного динистора. Если принять R1=R3=100 Ом, можно получить динистор с управляемым (с помощью резистора R2) напряжением переключения от 1 до 25 В [Войцеховский Я., Р 11/73-40, Р 12/76-29]. При отсутствии этого резистора и при условии R1=R3=5,1 кОм напряжение переключения составит 9 Б, а при R1=R3=3 кОм —12 В.

Аналог тиристора р-п-р-п-структуры, описанный в книге Я. Войцеховского, показан на рис. 2. Буквой А обозначен анод; К — катод; УЭ — управляющий электрод. В схемах (рис. 1, 2) могут быть использованы транзисторы типов КТ315 и КТ361.

Необходимо лишь, чтобы подводимое к полупроводниковому прибору или его аналогу напряжение не превышало предельных паспортных значений. В таблице (рис. 2) показано, какими величинами R1 и R2 следует руководствоваться при создании аналога тиристора на основе германиевых или кремниевых транзисторов.

Рис. 2. Аналог тиристора.

В разрывы электрической цепи, показанные на схеме (рис. 2) крестиками, можно включить диоды, позволяющие влиять на вид вольт-амперной характеристики аналога. В отличие от обычного тиристора, его аналогом (рис. 2) можно управлять, используя дополнительный вывод — управляющий электрод УЭдоп, подключенный к базе транзистора VT2 (верхний рисунок) или VT1 (нижний рисунок).

Обычно тиристор включают кратковременной подачей напряжения на управляющий электрод УЭ. При подаче напряжения на электрод УЭдоп тиристор, напротив, можно перевести из включенного состояния в выключенное.

Аналог управляемого динистора

Аналог управляемого динистора может быть создан с использованием тиристора (рис. 3) [Р 3/86-41]. При указанных на схеме типах элементов и изменении сопротивления резистора R1 от 1 до 6 кОм напряжение переключения динистора в проводящее состояние изменяется от 15 до 27 В.

Рис. 3. Аналог управляемого динистора.

Эквивалент однопереходного транзистора

Рис. 4. Аналог однопереходного транзистора.

Эквивалентная схема используемого в генераторных устройствах полупроводникового прибора — однопереходного транзистора — показана на рис. 4. Б1 и Б2 — первая и вторая базы транзистора.

Эквивалент инжекционно-полевого транзистора

Инжекционно-полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с S-образной ВАХ. Подобные приборы широко используют в импульсной технике — в релаксационных генераторах импульсов, преобразователях напряжение-частота, ждущих и управляемых генераторах и т.д.

Такой транзистор может быть составлен объединением полевого и обычного биполярного транзисторов (рис. 5, 6). На основе дискретных элементов может быть смоделирована не только полупроводниковая структура.

Рис. 5. Аналог инжекционно-полевого транзистора п-структуры.

Рис. 6. Аналог инжекционно-полевого транзистора р-структуры.

Эквивалент низковольтного газового разрядника

На рис. 7 показана схема устройства, эквивалентного низковольтному газовому разряднику [ПТЭ 4/83-127]. Этот прибор представляет собой газонаполненный баллон с двумя электродами, в котором возникает электрический межэлектродный пробой при превышении некоторого критического значения напряжения.

Напряжение «пробоя» для аналога газового разрядника (рис. 7) составляет 20 В. Таким же образом, может быть создан аналог, например, неоновой лампы.

Рис. 7. Аналог газового разрядника — схема эквивалентной замены.

Эквивалентная замена лямбда-диодов

Совершенно особым видом ВАХ обладают полупроводниковые приборы типа лямбда-диодов, туннельных диодов. На вольт-амперных характеристиках этих приборов имеется N-об-разный участок.

Лямбда-диоды и туннельные диоды могут быть использованы для генерации и усиления электрических сигналов. На рис. 8 и рис. 9 показаны схемы, имитирующие лямбда-ди-од [РТЕ 9/87-35].

Практически в генераторах чаще используют схему, представленную на рис. 9 [ПТЭ 5/77-96]. Если между стоками полевых транзисторов включить управляемый резистор (потенциометр) либо транзистор (полевой или биполярный), то видом вольт-амперной характеристики такого «лямбда-диода» можно управлять в широких пределах: регулировать частоту генерации, модулировать колебания высокой частоты и т.д.

Рис. 8. Аналог лямбда-диода.

Рис. 9. Аналог лямбда-диода.

Эквивалентная замена туннельных диодов

Рис. 10. Аналог туннельного диода.

Туннельные диоды также используют для генерации и усиления высокочастотных сигналов. Отдельные представители этого класса полупроводниковых приборов способны работать до мало достижимых в обычных условиях частот — порядка единиц ГГц. Устройство, позволяющее имитировать вольт-амперную характеристику туннельного диода, показано на рис. 10 [Р 4/77-30].

Схема эквивалента варикапа

Варикапы — это полупроводниковые приборы с изменяемой емкостью. Принцип их работы основан на изменении барьерной емкости полупроводникового перехода при изменении приложенного напряжения.

Чаще на варикап подают обратное смещение, реже — прямое. Такие элементы обычно применяют в узлах настройки радио- и телеприемников. В качестве варикапов могут быть использованы обычные диоды и стабилитроны (рис. 11), а также их полупроводниковые аналоги (рис. 12 [F 9/73-434], рис. 13 [ПТЭ 2/81-151]).

Рис. 12. Схема аналога варикапа.

Рис. 13. Схема аналога варикапа на основе полевого транзистора.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1).

• PCBWay — всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН
• Сборка печатных плат от $88 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
• Онлайн просмотрщик Gerber-файлов от PCBWay!

ВНИМАНИЕ! В оригинале в книге на рисунках 1 и 2 была обнаружена ошибка: к Аноду включен N-P-N транзистор, вместо PNP. В текущей статье, на рисунках, ошибки исправлены!
Нашел ошибки и оповестил нас о них — Иван Иванович.

Динистор лучше заменить на тиристор и стабилитрон или цепочка стабилитронов с анода на управляющий, проверено — работает надежно, искать транзисторы PNP на 250-300v проблемотично.

НИколай,можно раскурочить парочку сгоревших зарубежных телеков,покопаться в строчной развертке,взять оттуда выходные транзисторы(насколько помню,они там прямой проводимости).Если же нет,можно сделать аналог npn транзистора из нескольких pnp транзисторов.Раскрою принцип действия заменяющей цепочки.При подаче на базу транзистора прямой проводимости pnp структуры отрицательного импульса он открывается.Транзистор обратной проводимости npn структуры закрывается.Так,закрывая один транзистор можно открывать другой,имитируя работу транзистора прямой проводимости.При этом,правда,увеличивается емкость коллектора,но ее можно компенсировать,введя обратную связь.При этом правда,уменьшается коэффициент усиления,но это можно исправить увеличением числа каскадов.

Так же можно присмотреться и к ключу в блоке питания.

Источник: radiostorage.net

Тиристор принцип работы. Что такое тиристор и как он работает

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

• — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
• — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
• — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.

Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

• — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
• — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
• — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
• — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Появление четырехслойных p-n-p-n полупроводниковых элементов совершило настоящий прорыв в силовой электронике. Такие устройства получили название «тиристоров». Кремниевые управляемые вентили являются наиболее распространенным семейством тиристоров.

Данный вид полупроводниковых приборов имеет следующую структуру:

Как видим из структурной схемы тиристор имеет три вывода – катод, управляющий электрод и анод. Подключению к силовым цепям подлежат анод и катод, а управляющий электрод подключается к системе управления (слаботочные сети) для управляемого открытия тиристора.

На принципиальных схемах тиристор имеет такое обозначение:

Вольт-амперная характеристика показана ниже:

Давайте подробнее рассмотрим эту характеристику.

Обратная ветвь характеристики

В третьем квадранте характеристики диодов и тиристоров равны. Если к аноду приложить отрицательный потенциал относительно катода, то к J 1 и J 3 прикладывается обратное напряжение, а к J 2 — прямое, что вызовет протекание тока обратного (он очень мал, как правило несколько миллиампер). Когда же это напряжение увеличится до так называемого напряжения пробоя, произойдет лавинное нарастание тока между J 1 и J 3 . При этом, если данный ток не будет ограничен, то произойдет пробой перехода с последующим выходом из строя тиристора. При обратных же напряжениях, которые не превышают напряжения пробоя, тиристор будет вести себя как резистор с большим сопротивлением.

Зона низкой проводимости

В данной зоне все наоборот. Потенциал катода будет отрицательный по отношению к потенциалу анода. Поэтому к J 1 и J 3 будет приложено прямое, а к J 2 – обратное напряжение. Результатом чего станет весьма малый анодный ток.

Зона высокой проводимости

Если напряжение на участке анод – катод достигнет значения, так называемого напряжением переключения, то произойдет лавинный пробой перехода J 2 и тиристор будет переведен в состояние высокой проводимости. При этом U a снизится от нескольких сотен до 1 — 2 вольт. Оно будет зависеть от типа тиристора. В зоне высокой проводимости ток, протекающий через анод, будет зависеть от нагрузки внешней элемента, что дает возможность рассматривать его в этой зоне как замкнутый ключ.

Если пропустить ток через управляющий электрод, то напряжение включения тиристора уменьшится. Оно напрямую зависит от тока управляющего электрода и при достаточно большом его значении практически равно нулю. При выборе тиристора для работы в схеме, то его подбирают таким образом, чтоб напряжения обратное и прямое не превышали паспортных значений напряжений пробоя и переключения. Если эти условия выполнить трудно, или имеется большой разброс в параметрах элементов (например необходим тиристор на 6300 В, а его ближайшие значения 1200 В), то иногда применяют или включение элементов.

В нужный момент времени с помощью подачи импульса на управляющий электрод можно перевести тиристор с закрытого состояния в зону высокой проводимости. Ток УЭ, как правило, должен быть выше минимального тока открытия и он составляет порядка 20-200 мА.

Когда анодный ток достигнет определенного значения, при котором запирания тиристора невозможно (ток переключения), управляющий импульс может быть снят. Теперь тиристор сможет перейти обратно в закрытое состояние только при уменьшении тока ниже, чем ток удержания, или прикладыванием к нему напряжения обратной полярности.

Видео работы и графики переходных процессов

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

Принцип работы

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.

К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

Заключение

Перед тем как разбираться с темой «тиристор – принцип работы», необходимо понять, что собой представляет этот небольшой прибор. По сути, это силовой ключ, только он всегда находится в открытом состоянии. Поэтому его часто называют не полностью управляемый ключ.

Необходимо отметить, что по своему устройству тиристор напоминает обыкновенный транзистор или диод. Правда, есть и существенные отличия. К примеру, диод – это полупроводниковый двухслойный элемент на кремневой основе (PN), транзистор – трехслойный (PNP или NPN), тиристор – четырехслойный (PNPN). То есть, у него три перехода p-n. Именно поэтому диодные выпрямители перед тиристорными являются менее эффективными. Это хорошо видно на схеме управления тиристорами.

Где применяются тиристоры

Область применения тиристоров обширна. К примеру, из них можно собрать инвертор для сварки или зарядное автомобильное устройство. Некоторые умельцы своими руками собирают даже генераторы. Самое важное, что тиристоры могут через себя пропускать токи и высокочастотные, и низкочастотные. Поэтому, собрав мост из этих приборов, можно изготовить трансформатор и для сварочного аппарата.

Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

• Анод.
• Катод.
• Вход.

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.

Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

• Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
• Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
• Величина самой токовой нагрузки.
• Напряжение в цепи.
• Температура самого прибора.

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

• Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
• Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Управление тиристорами

В силовых электронных аппаратах чаще всего используется или фазное, или широтно-импульсное управление тиристором.

В первом случае регулировать токовую нагрузку можно за счет изменения углов или α, или θ. Это относится к принудительной нагрузке. Искусственную нагрузку можно регулировать только с помощью управляемого тиристора, который также называется запираемый.

При ШИМ (широтно-импульсной модуляции) во время Тоткр сигнал подается, а, значит, сам прибор находится в открытом состоянии, то есть, ток подается с напряжением Uн. В период времени Тзакр сигнал отсутствует, а сам прибор находится непроводящем состоянии.

Тиристорные светодиоды

Обычно тиристор и светодиод в одном светильнике не устанавливаются. Его место заменяет диод, который работает и на включение, и на отключение, как обычный ключ. Это связано с разными причинами, где основная – это конструкция и принцип действия самого прибора, который всегда находится в открытом состоянии. В настоящее время ученые изобрели так называемый тиристорный светодиод.

Во-первых, тиристорный светодиод в своем составе кроме кремния имеет: галлий, алюминий, индий, мышьяк и сурьму. Во-вторых, спектр излучения при n-переходах между материалами создает волну длиною 1,95 мкм. А это достаточно большая оптическая мощность, если ее сравнивать с диодным элементом, который производит световые волны в том же диапазоне.

Тиристор. Устройство, назначение.

Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор с тремя p–n -переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями электрического равновесия: закрытым и открытым.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают три основных свойства тиристора:

1 тиристор, как и диод, проводит ток в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;

2 тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния.

3 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;

Устройство и основные виды тиристоров

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n -структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n , содержащий три последовательно соединённых p-n -перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p -слою называется анодом, к внешнему n -слою — катодом. В общем случае p-n-p-n -прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором . Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как ихВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется такжесимистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов , часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

· Между точками 0 и (Vвo,IL) находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание (нижняя ветвь).

· В точке Vво происходит включение тиристора (точка переключения динистора во включённое состояние).

· Между точками (Vво, IL) и (Vн,Iн) находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением-неустойчивая область переключения во включённое состояние. При подаче разности потенциалов между анодом и катодом тиристора прямой полярности больше Vно происходит отпирание тиристора (динисторный эффект).

· Участок от точки с координатами (Vн,Iн) и выше соответствует открытому состоянию (прямой проводимости)

· На графике показаны ВАХ с разными токами управления (токами на управляющем электроде тиристора) IG (IG=0; IG>0; IG>>0), причём чем больше ток IG, тем при меньшем напряжении Vbo происходит переключение тиристора в проводящее состояние

· Пунктиром обозначен т. н. «ток включения спрямления» (IG>>0), при котором тиристор переходит в проводящее состояние при минимальном напряжении анод-катод. Для того, чтобы перевести тиристор обратно в непроводящее состояние необходимо снизить ток в цепи анод-катод ниже тока включения спрямления.

· Участок между 0 и Vbr описывает режим обратного запирания прибора.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0-3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Что такое тиристор? Подробное описание полупроводника. Как работают мощные силовые тиристоры

Тиристор представляет собой электронный силовой частично управляемый ключ. Этот прибор, с помощью сигнала управления может находиться только в проводящем состоянии, то есть быть включенным. Для того, чтобы его выключить, нужно проводить специальные мероприятия, которые обеспечивают падение прямого тока до нулевого значения. Принцип работы тиристора заключается в односторонней проводимости, в закрытом состоянии может выдержать не только прямое, но и обратное напряжение.

Свойства тиристоров

По своим качествам, тиристоры относятся к полупроводниковым приборам. В их полупроводниковой пластине присутствуют смежные слои, обладающие различными типами проводимости. Таким образом, каждый тиристор представляет собой прибор, имеющий четырехслойную структуру р-п-р-п.

К крайней области р-структуры производится подключение положительного полюса источника напряжения. Поэтому, данная область получила название анода. Противоположная область п-типа, куда подключается отрицательный полюс, называется катодом. Вывод из внутренней области осуществляется с помощью р-управляющего электрода.

Классическая модель тиристора состоит из двух , имеющих разную степень проводимости. В соответствии с данной схемой, производится соединение базы и коллектора обоих транзисторов. В результате такого соединения, питание базы каждого транзистора осуществляется с помощью коллекторного тока другого транзистора. Таким образом, получается цепь с положительной обратной связью.

Если ток отсутствует в управляющем электроде, то транзисторы находятся в закрытом положении. Течение тока через нагрузку не происходит, и тиристор остается закрытым. При подаче тока выше определенного уровня, в действие вступает положительная обратная связь. Процесс становится лавинообразным, после чего происходит открытие обоих транзисторов. В конечном итоге, после открытия тиристора, наступает его стабильное состояние, даже в случае прекращения подачи тока.

Работа тиристора при постоянном токе

Рассматривая электронный тиристор принцип работы которого основан на одностороннем движении тока, следует отметить его работу при постоянном токе.

Обычный тиристор включается путем подачи импульса тока в цепь управления. Эта подача осуществляется со стороны положительной полярности, противоположной, относительно катода.

Во время включения, продолжительность переходного процесса обусловлена характером нагрузки, амплитудой и скоростью, с которой нарастает импульс тока управления. Кроме того, этот процесс зависит от температуры внутренней структуры тиристора, тока нагрузки и приложенного напряжения. В цепи, где установлен тиристор, не должно быть недопустимой скорости роста напряжения, которое может привести к его самопроизвольному включению.

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

1. Прокол обеднённой области .

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение , отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис. 3). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины W n1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше W n1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 4 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок , инжектируемых переходом J1, и электронов , инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера I E , коллектора I C и базы I B и статическим коэффициентом усиления по току α 1 p-n-p транзистора также приведена на рис. 4, где I Со — обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Рис. 4. Двухтранзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов и соотношение токов в p-n-p транзисторе.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток I g втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен I B1 = (1 — α 1)I A — I Co1 . Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α 2 равен I C2 = α 2 I K + I Co2 .

Приравняв I B1 и I C2 , получим (1 — α 1)I A — I Co1 = α 2 I K + I Co2 . Так как I K = I A + I g , то

Рис. 5. Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояние равновесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости.

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α 1 + α 2 I A мал. (Коэффициенты α1 и α2 сами зависят от I A и обычно растут с увеличением тока) Если α1 + α2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: V AK = V 1 + V 2 + V 3 . По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 5, в), и падение напряжения V AK = (V 1 — |V 2 | + V 3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p + -i-n +)-диоду…

Классификация тиристоров

• тиристор диодный (доп. название «динистор») — тиристор, имеющий два вывода
  • тиристор диодный, не проводящий в обратном направлении
  • тиристор диодный, проводящий в обратном направлении
  • тиристор диодный симметричный (доп. название «диак»)
• тиристор триодный (доп. название «тринистор») — тиристор, имеющий три вывода
  • тиристор триодный, не проводящий в обратном направлении (доп. название «тиристор»)
  • тиристор триодный, проводящий в обратном направлении (доп. название «тиристор-диод»)
  • тиристор триодный симметричный (доп. название «триак», неоф. название «симистор»)
  • тиристор триодный асимметричный
  • запираемый тиристор (доп. название «тиристор триодный выключаемый»)

Отличие динистора от тринистора

Принципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если открытие динистора происходит при достижении между выводами анода и катода определённого напряжения, зависящего от типа данного динистора, то в тринисторе напряжение открытия может быть специально снижено, путём подачи импульса тока определённой длительности и величины на его управляющий электрод при положительной разности потенциалов между анодом и катодом, и конструктивно тринистор отличается только наличием управляющего электрода. Тринисторы являются наиболее распространёнными приборами из «тиристорного» семейства.

Отличие тиристора триодного от запираемого тиристора

Переключение в закрытое состояние обычных тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения I h , либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом.

Запираемые тиристоры, в отличие от обычных тиристоров, под воздействием тока управляющего электрода могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы закрыть запираемый тиристор, необходимо через управляющий электрод пропустить ток противоположной полярности, чем полярность, которая вызывала его открытие.

Симистор

Симистор (симметричный тиристор) представляет собой полупроводниковый прибор, по своей структуре является аналогом встречно-параллельного включения двух тиристоров. Способен пропускать электрический ток в обоих направлениях.

Характеристики тиристоров

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10 9 А/с, напряжения — 10 9 В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; КПД достигает 99 %.

Применение

• Управляемые выпрямители
• Преобразователи (инверторы)
• Регуляторы мощности (диммеры)

См. также

• CDI (Capacitor Discharge Ignition)

Примечания

Литература

• ГОСТ 15133-77.
• Кублановский. Я. С. Тиристорные устройства. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1987. — 112 с.: ил. — (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1104).

Ссылки

• Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения
• Управление тиристорами и симисторами через микроконтроллер или цифровую схему
• Преобразовательные устройства в системах электроснабжения
• Рогачёв К.Д. Современные силовые запираемые тиристоры .
• Отечественные Аналоги Импортных Тиристоров
• Справочники по тиристорам и аналогам,Замена тиристоров,замена диодов.Стабилитроны

Тиристор это полупроводниковый прибор, предназначенный для работы в качестве ключа. Он имеет три электрода и структуру p-n-p-n из четырёх слоёв полупроводника. Электроды именуются как анод, катод и управляющий электрод. Структура p-n-p-n функционально аналогична нелинейному резистору, который способен принимать два состояния:

• с очень большим сопротивлением, выключенное;
• с очень малым сопротивлением, включенное.

Виды

На включенном тиристоре сохраняется напряжение около одного или нескольких Вольт, которое незначительно увеличивается с возрастанием силы тока, протекающего через него. В зависимости от вида тока и напряжения, приложенного к электрической цепи с тиристором, в ней используется одна из трёх современных разновидностей этих полупроводниковых приборов. На постоянном токе работают:

• включаемые тринисторы;
• три разновидности запираемых тиристоров, именуемых как

На переменном и постоянном токе работают симисторы. Все эти тиристоры содержат управляющий электрод и два других электрода, через которые тёчёт ток нагрузки. Для тринисторов и запираемых тиристоров это анод и катод, для симисторов наименование этих электродов обусловлено правильностью определения свойств управляющего сигнала, подаваемого на управляющий электрод.

Наличие в тиристоре структуры p-n-p-n позволяет разделить её условно на две области, каждая из которых является биполярным транзистором соответствующей проводимости. Таким образом, эти взаимосвязанные транзисторы являются эквивалентом тиристора, что имеет вид схемы на изображении слева. Первыми на рынке появились тринисторы.

Свойства и характеристики

По сути это аналог самоблокирующегося реле с одним нормально разомкнутым контактом, роль которого выполняет полупроводниковая структура, расположенная между анодом и катодом. Отличие от реле состоит в том, что для этого полупроводникового прибора может быть применено несколько способов включения и выключения. Все эти способы объясняются транзисторным эквивалентом тринистора.

Два эквивалентных транзистора охвачены положительной обратной связью. Она многократно усиливает любые изменения тока в их полупроводниковых переходах. Поэтому существует несколько видов воздействия на электроды тринистора для его включения и выключения. Первые два способа позволяют выполнить включение по аноду.

• Если напряжение на аноде увеличивать, при его определённом значении начнут сказываться эффекты начинающегося пробоя полупроводниковых структур транзисторов. Появившийся начальный ток лавинообразно усилится положительной обратной связью и оба транзистора включатся.
• При достаточно быстром увеличении напряжения на аноде происходит заряд межэлектродных ёмкостей, которые присутствуют в любых электронных компонентах. При этом в электродах появляются зарядные токи этих ёмкостей, которые подхватывает положительная обратная связь и всё заканчивается включением тринистора.

Если перечисленные выше изменения напряжения отсутствуют, включение обычно происходит током базы эквивалентного n-p-n транзистора. Выключить тринистор можно одним из двух способов, которые также становятся понятны из-за взаимодействия эквивалентных транзисторов. Положительная обратная связь в них действует, начиная с некоторых величин токов, протекающих в структуре p-n-p-n. Если величину тока сделать меньше этих величин, положительная обратная связь сработает на быстрое исчезновение токов.

Другой способ выключения использует прерывание положительной обратной связи импульсом напряжения, который меняет полярность на аноде и катоде. При таком воздействии направления токов между электродами изменяется на противоположные и тринистор выключается. Поскольку для полупроводниковых материалов характерно явление фотоэффекта, существуют фото- и оптотиристоры, у которых включение может быть обусловлено освещением либо приёмного окошка, либо светодиодом в корпусе этого полупроводникового прибора.

Существуют ещё и так называемые динисторы (неуправляемые тиристоры). В этих полупроводниковых приборах нет управляющего электрода конструктивно. По своей сути это тринистор с одним отсутствующим выводом. Поэтому их состояние зависит только от напряжения анода и катода и они не могут включиться управляющим сигналом. В остальном процессы в них аналогичны обычным тринисторам. То же относится и к симисторам, которые по сути являются двумя тринисторами соединёнными параллельно. Поэтому они применяются для управления переменным током без дополнительных диодов.

Запираемые тиристоры

Если определённым образом изготовить области структуры p-n-p-n вблизи баз эквивалентных транзисторов можно достичь полной управляемости тиристором со стороны управляющего электрода. Такая конструкция структуры p-n-p-n показана на изображении слева. Включать и выключать такой тиристор можно соответствующими сигналами в любой момент времени подавая их на управляющий электрод. Остальные способы включения, применяемые к тринисторам, для запираемых тиристоров так же годятся.

Однако эти способы не применяются к таким полупроводниковым приборам. Они наоборот исключаются теми или иными схемотехническими решениями. Целью является получение надёжного включения и выключения только по управляющему электроду. Это необходимо для использования таких тиристоров в мощных инверторах повышенной частоты. GTO работают на частотах до 300 Герц, а IGCT способны на существенно более высокие частоты, достигающие 2 кГц. Номинальные значения токов могут быть несколько тысяч ампер, а напряжение – несколько киловольт.

Сравнение различных тиристоров приведено в таблице ниже.

Тиристоры изготавливаются для широкого диапазона токов и напряжений. Конструкция их определяется размерами структуры p-n-p-n и необходимостью получения надёжного отвода тепла от неё. Современные тиристоры, а также их обозначения на электрических схемах показаны на изображениях ниже.

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях — закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Одна из крайних областей, на которую подключают положительный полюс питания называют анод , р – типа
Другая, к которой подсоединяют отрицательное полюс напряжения, называют катод , – n типа
Управляющий электрод подключен к внутренним слоям.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается , тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1 .

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня — напряжение включения U вкл , в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер . В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p -области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n -области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах , через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении R n растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как на прямой ветви — отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает .

Напряжение включения U вкл , можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод , запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – U упр . Как хорошо видно из графика – при росте U упр напряжение включения снижается.

U вкл напряжение включения – при нем осуществляется переход тиристора в открытое состояние
U o6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение при нем происходит электрический пробой p-n перехода. Для многих тиристоров будет верно выражение U o6p.max . = U вкл
I max — максимально допустимое значение тока
I ср — среднее значение тока за период U np — прямое падение напряжения при открытом тиристоре
I o6p.max — обратный максимальный ток начинающий течь при приложении U o6p.max , за счет перемещения неосновных носителей заряда
I удерж ток удержания – значение анодного тока, при котором осуществляется запирание тиристора
P max — максимальная рассеиваемая мощность
t откл — время отключения необходимое для запирания тиристора

Запираемые тиристоры — имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

В отличие от своих четырехслойных родственников — тиристоров, они имеют пятислойную структуру.

Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.

Если у стандартного тиристора имеются анод и катод то электроды симистора так описать нельзя т.к каждый уго электрод является и анодом и катодом одновременно. Поэтому симистор способен пропускать ток в обоих направлениях. Именно поэтому он отлично работает в цепях переменного тока.

Очень простой схемой, поясняющей принцип симистора является регулятор симисторный регулятор мощности.

После подачи напряжения на один из выводов симистора поступает переменное напряжение. На электрод, являющийся управляющим с диодного моста поступает отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор отпирается и ток поступает в подключенную нагрузку. В момент времени, когда на входе симистора меняется полярность напряжения он запирается. Затем алгоритм повторяется.

Чем выше уровень управляющего напряжения тем быстрее срабатывает симистор и длительность импульса на нагрузке увеличивается. При снижении уровня управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке также снижается. На выходе симисторного регулятора напряжение будет пилообразной формы с регулируемой длительностью импульса. Таким образом, регулируя управляющее напряжение мы можем изменять яркость лампочки накаливания или температуру жала паяльника подключенных в качестве нагрузки.

Итак симистор управляется как отрицательным так и положительным напряжением. Давайте выделим его минусы и плюсы.

Плюсы: низкая стоимость, большой срок службы, отсутствие контактов и, как следствие, отсутствие искрения и дребезга.
Минусы: достаточно чувствителен к перегреву и его обычно монтируют на радиаторе. Не работает на высоких частотах, так как не успевает переходить из открытого состояния в закрытое. Реагирует на внешниепомехи, вызывающие ложное срабатывание.

Следует также упомянуть о особенностях монтажа симисторов в современной электронной техники.

При малых нагрузках или если в ней протекают короткие импульсные токи, монтаж симисторов можно осуществлять без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях – его наличие строго обязательно.
К теплоотводу тиристор может фиксироваться крепежным зажимом или винтом
Для снижения вероятности ложного срабатывания из-за шумов, длина проводов должна быть минимальна. Для подсоединения рекомендуется использовать экранированный кабель или витую пару.

Или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень и надежности конструкции.

Силовые ключи . Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность, которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется, т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

• Электроника для начинающих

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

Принцип работы

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.

К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

Заключение

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Тиристор принцип работы. Как работает тиристор. Режим обратного запирания

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

1. Прокол обеднённой области .

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение , отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис. 3). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины W n1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше W n1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 4 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок , инжектируемых переходом J1, и электронов , инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера I E , коллектора I C и базы I B и статическим коэффициентом усиления по току α 1 p-n-p транзистора также приведена на рис. 4, где I Со — обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Рис. 4. Двухтранзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов и соотношение токов в p-n-p транзисторе.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток I g втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен I B1 = (1 — α 1)I A — I Co1 . Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α 2 равен I C2 = α 2 I K + I Co2 .

Приравняв I B1 и I C2 , получим (1 — α 1)I A — I Co1 = α 2 I K + I Co2 . Так как I K = I A + I g , то

Рис. 5. Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояние равновесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости.

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α 1 + α 2 I A мал. (Коэффициенты α1 и α2 сами зависят от I A и обычно растут с увеличением тока) Если α1 + α2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: V AK = V 1 + V 2 + V 3 . По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 5, в), и падение напряжения V AK = (V 1 — |V 2 | + V 3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p + -i-n +)-диоду…

Классификация тиристоров

• тиристор диодный (доп. название «динистор») — тиристор, имеющий два вывода
  • тиристор диодный, не проводящий в обратном направлении
  • тиристор диодный, проводящий в обратном направлении
  • тиристор диодный симметричный (доп. название «диак»)
• тиристор триодный (доп. название «тринистор») — тиристор, имеющий три вывода
  • тиристор триодный, не проводящий в обратном направлении (доп. название «тиристор»)
  • тиристор триодный, проводящий в обратном направлении (доп. название «тиристор-диод»)
  • тиристор триодный симметричный (доп. название «триак», неоф. название «симистор»)
  • тиристор триодный асимметричный
  • запираемый тиристор (доп. название «тиристор триодный выключаемый»)

Отличие динистора от тринистора

Принципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если открытие динистора происходит при достижении между выводами анода и катода определённого напряжения, зависящего от типа данного динистора, то в тринисторе напряжение открытия может быть специально снижено, путём подачи импульса тока определённой длительности и величины на его управляющий электрод при положительной разности потенциалов между анодом и катодом, и конструктивно тринистор отличается только наличием управляющего электрода. Тринисторы являются наиболее распространёнными приборами из «тиристорного» семейства.

Отличие тиристора триодного от запираемого тиристора

Переключение в закрытое состояние обычных тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения I h , либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом.

Запираемые тиристоры, в отличие от обычных тиристоров, под воздействием тока управляющего электрода могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы закрыть запираемый тиристор, необходимо через управляющий электрод пропустить ток противоположной полярности, чем полярность, которая вызывала его открытие.

Симистор

Симистор (симметричный тиристор) представляет собой полупроводниковый прибор, по своей структуре является аналогом встречно-параллельного включения двух тиристоров. Способен пропускать электрический ток в обоих направлениях.

Характеристики тиристоров

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10 9 А/с, напряжения — 10 9 В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; КПД достигает 99 %.

Применение

• Управляемые выпрямители
• Преобразователи (инверторы)
• Регуляторы мощности (диммеры)

См. также

• CDI (Capacitor Discharge Ignition)

Примечания

Литература

• ГОСТ 15133-77.
• Кублановский. Я. С. Тиристорные устройства. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1987. — 112 с.: ил. — (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1104).

Ссылки

• Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения
• Управление тиристорами и симисторами через микроконтроллер или цифровую схему
• Преобразовательные устройства в системах электроснабжения
• Рогачёв К.Д. Современные силовые запираемые тиристоры .
• Отечественные Аналоги Импортных Тиристоров
• Справочники по тиристорам и аналогам,Замена тиристоров,замена диодов.Стабилитроны

Тиристор это четырёхслойный полупроводниковый прибор, слои расположены последовательно их типы проводимости чередуются: p‑n‑p‑n. p‑n‑переходы между слоями на рисунке обозначены как «П1», «П2» и «П3». Контакт присоединенный к внешнему p‑слою называется анодом, к внешнему n‑слою — катодом. В принципе тиристор может иметь до двух управляющих электродов, присоединённых к внутренним слоям. Но обычно изготавливаются тиристоры с одним управляющим электродом, либо вообще без управляющих электродов (такой прибор называется динистором).

Для включения тиристора достаточно кратковременно подать сигнал на управляющий электрод — тиристор откроется и будет оставаться в этом состоянии пока ток через тиристор не станет меньше тока удержания.

Итак, главный принцип работы тиристора и схем на его основе — открываем тиристор подачей сигнала на усправляющий электрод, закрываем снижая ток анод-катод.

Как и в биполярном транзистор главную роль в принципе действия играют неосновные носители заряда (ННЗ) и обратно-смещенный p-n- переход. Пока неосновных носителей мало переход закрыт, но стоит подкинуть ННЗ к переходу и он откроется.
В тиристоре есть два основных способа добавить ННЗ:
1) закачать ток в управляющий электрод;
2) поднять напряжение настолько чтобы возник лавинный пробой.

Динисторное включение тиристора

Для начала рассмотрим второй случай, то есть когда управляющий электрод тиристора отключен.

При подаче напряжения прямой полярности, крайние переходы смещаются в прямом направлении, а средний – в обратном. При значительном увеличении напряжения на силовых электродах, через крайние (П1 и П3), примыкающие к среднему, переходы начинают перемещаться неосновные носители, уменьшая его сопротивление. Процесс происходит медленно, а сопротивление остается большим, но лишь до определенного момента. При некотором значении напряжения (как правило, несколько сотен вольт) процесс становится лавинным(точка 1 на ВАХ), неосновные носители заряда заменяются основными, отпирая средний переход (П2) и уменьшая сопротивление анод-катод. Тиристор отпирается, а падение напряжения между силовыми электродами падает до единиц Вольт (точка 2 на ВАХ).

Дальнейший рост тока ведет только к небольшому росту падения напряжения на тиристоре участок ВАХ от точки 2 до точки 3, это рабочий режим открытого тиристора.

Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий ток ниже тока удержания. Причем падение напряжения соответствующее этому току многократно ниже отпирающего напряжения.

Но зачем тиристору управляющий электрод? Какие преимущества есть у тиристора перед динистором? Дело в том, что подавая напряжение через резистор на управляющий электрод можно увеличивать концентрацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь будет снижать величину напряжения включения тиристора.

А при какой-то величине тока управляющего электрода больше не будет горба на ВАХ, т.е. ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода, кстати этот ток называют током спрямления.

Режим обратного запирания тиристора

При обратном включении тиристора крайние переходы (П1 и П3) смещаются в обратном направлении, а средний в прямом (П2). Тиристор остается закрытым пока не наступит тепловой пробой.

Физические процессы

Если пары по физическим основам электроники на которых рассматривался транзистор я ещё как-то выдерживал, то энергетические зонные диаграммы объясняющие принцип работы тиристора уже были слишком сложны. Очень много ньюансов в концетрациях носителей заряда, толщинах слоев и уровне легирования.
Конечно, чтобы изготовить тиристор с хорошими характеристиками физические процессы протекающие в кристалле полупроводника нужно знать и понимать. Но для разработки электронных схем достаточно знать вольт-амперную характеристику тиристора и его транзисторную модель.

Одну четрехслойную полупроводниковую структуру можно представить как две трехслойные, если посмотреть на рисунок, то в трехслойных структурах можно увидеть два биполярных транзистора n-p-n и p-n-p структуры.

Пока оба транзистора закрыты, ток через них не протекает. Но стоит открытся хоть одному из них, то он тут же откроет второй. Ток коллектора первого транзистора поступит в базу второго и откроет его, а ток коллектора второго, будет являтся базовым для первого и будет поддерживать открытым первый транзистор. Получаетя что оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии. И чтобы они закрылись, нужно снизить ток через ниж ниже определенной величины, так называемого тока удержания.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

• — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
• — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
• — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.

Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

• — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
• — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
• — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
• — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях — закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Одна из крайних областей, на которую подключают положительный полюс питания называют анод , р – типа
Другая, к которой подсоединяют отрицательное полюс напряжения, называют катод , – n типа
Управляющий электрод подключен к внутренним слоям.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается , тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1 .

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня — напряжение включения U вкл , в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер . В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p -области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n -области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах , через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении R n растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как на прямой ветви — отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает .

Напряжение включения U вкл , можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод , запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – U упр . Как хорошо видно из графика – при росте U упр напряжение включения снижается.

U вкл напряжение включения – при нем осуществляется переход тиристора в открытое состояние
U o6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение при нем происходит электрический пробой p-n перехода. Для многих тиристоров будет верно выражение U o6p.max . = U вкл
I max — максимально допустимое значение тока
I ср — среднее значение тока за период U np — прямое падение напряжения при открытом тиристоре
I o6p.max — обратный максимальный ток начинающий течь при приложении U o6p.max , за счет перемещения неосновных носителей заряда
I удерж ток удержания – значение анодного тока, при котором осуществляется запирание тиристора
P max — максимальная рассеиваемая мощность
t откл — время отключения необходимое для запирания тиристора

Запираемые тиристоры — имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

В отличие от своих четырехслойных родственников — тиристоров, они имеют пятислойную структуру.

Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.

Если у стандартного тиристора имеются анод и катод то электроды симистора так описать нельзя т.к каждый уго электрод является и анодом и катодом одновременно. Поэтому симистор способен пропускать ток в обоих направлениях. Именно поэтому он отлично работает в цепях переменного тока.

Очень простой схемой, поясняющей принцип симистора является регулятор симисторный регулятор мощности.

После подачи напряжения на один из выводов симистора поступает переменное напряжение. На электрод, являющийся управляющим с диодного моста поступает отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор отпирается и ток поступает в подключенную нагрузку. В момент времени, когда на входе симистора меняется полярность напряжения он запирается. Затем алгоритм повторяется.

Чем выше уровень управляющего напряжения тем быстрее срабатывает симистор и длительность импульса на нагрузке увеличивается. При снижении уровня управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке также снижается. На выходе симисторного регулятора напряжение будет пилообразной формы с регулируемой длительностью импульса. Таким образом, регулируя управляющее напряжение мы можем изменять яркость лампочки накаливания или температуру жала паяльника подключенных в качестве нагрузки.

Итак симистор управляется как отрицательным так и положительным напряжением. Давайте выделим его минусы и плюсы.

Плюсы: низкая стоимость, большой срок службы, отсутствие контактов и, как следствие, отсутствие искрения и дребезга.
Минусы: достаточно чувствителен к перегреву и его обычно монтируют на радиаторе. Не работает на высоких частотах, так как не успевает переходить из открытого состояния в закрытое. Реагирует на внешниепомехи, вызывающие ложное срабатывание.

Следует также упомянуть о особенностях монтажа симисторов в современной электронной техники.

При малых нагрузках или если в ней протекают короткие импульсные токи, монтаж симисторов можно осуществлять без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях – его наличие строго обязательно.
К теплоотводу тиристор может фиксироваться крепежным зажимом или винтом
Для снижения вероятности ложного срабатывания из-за шумов, длина проводов должна быть минимальна. Для подсоединения рекомендуется использовать экранированный кабель или витую пару.

Или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень и надежности конструкции.

Силовые ключи . Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность, которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется, т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

• Электроника для начинающих

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

Принцип работы

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.

К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

Заключение

Что такое тиристор и как он работает. Назначение тиристоров

Тиристор представляет собой электронный силовой частично управляемый ключ. Этот прибор, с помощью сигнала управления может находиться только в проводящем состоянии, то есть быть включенным. Для того, чтобы его выключить, нужно проводить специальные мероприятия, которые обеспечивают падение прямого тока до нулевого значения. Принцип работы тиристора заключается в односторонней проводимости, в закрытом состоянии может выдержать не только прямое, но и обратное напряжение.

Свойства тиристоров

По своим качествам, тиристоры относятся к полупроводниковым приборам. В их полупроводниковой пластине присутствуют смежные слои, обладающие различными типами проводимости. Таким образом, каждый тиристор представляет собой прибор, имеющий четырехслойную структуру р-п-р-п.

К крайней области р-структуры производится подключение положительного полюса источника напряжения. Поэтому, данная область получила название анода. Противоположная область п-типа, куда подключается отрицательный полюс, называется катодом. Вывод из внутренней области осуществляется с помощью р-управляющего электрода.

Классическая модель тиристора состоит из двух , имеющих разную степень проводимости. В соответствии с данной схемой, производится соединение базы и коллектора обоих транзисторов. В результате такого соединения, питание базы каждого транзистора осуществляется с помощью коллекторного тока другого транзистора. Таким образом, получается цепь с положительной обратной связью.

Если ток отсутствует в управляющем электроде, то транзисторы находятся в закрытом положении. Течение тока через нагрузку не происходит, и тиристор остается закрытым. При подаче тока выше определенного уровня, в действие вступает положительная обратная связь. Процесс становится лавинообразным, после чего происходит открытие обоих транзисторов. В конечном итоге, после открытия тиристора, наступает его стабильное состояние, даже в случае прекращения подачи тока.

Работа тиристора при постоянном токе

Рассматривая электронный тиристор принцип работы которого основан на одностороннем движении тока, следует отметить его работу при постоянном токе.

Обычный тиристор включается путем подачи импульса тока в цепь управления. Эта подача осуществляется со стороны положительной полярности, противоположной, относительно катода.

Во время включения, продолжительность переходного процесса обусловлена характером нагрузки, амплитудой и скоростью, с которой нарастает импульс тока управления. Кроме того, этот процесс зависит от температуры внутренней структуры тиристора, тока нагрузки и приложенного напряжения. В цепи, где установлен тиристор, не должно быть недопустимой скорости роста напряжения, которое может привести к его самопроизвольному включению.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

• — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
• — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
• — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.

Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

• — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
• — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
• — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
• — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях — закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Одна из крайних областей, на которую подключают положительный полюс питания называют анод , р – типа
Другая, к которой подсоединяют отрицательное полюс напряжения, называют катод , – n типа
Управляющий электрод подключен к внутренним слоям.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается , тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1 .

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня — напряжение включения U вкл , в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер . В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p -области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n -области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах , через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении R n растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как на прямой ветви — отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает .

Напряжение включения U вкл , можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод , запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – U упр . Как хорошо видно из графика – при росте U упр напряжение включения снижается.

U вкл напряжение включения – при нем осуществляется переход тиристора в открытое состояние
U o6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение при нем происходит электрический пробой p-n перехода. Для многих тиристоров будет верно выражение U o6p.max . = U вкл
I max — максимально допустимое значение тока
I ср — среднее значение тока за период U np — прямое падение напряжения при открытом тиристоре
I o6p.max — обратный максимальный ток начинающий течь при приложении U o6p.max , за счет перемещения неосновных носителей заряда
I удерж ток удержания – значение анодного тока, при котором осуществляется запирание тиристора
P max — максимальная рассеиваемая мощность
t откл — время отключения необходимое для запирания тиристора

Запираемые тиристоры — имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

В отличие от своих четырехслойных родственников — тиристоров, они имеют пятислойную структуру.

Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.

Если у стандартного тиристора имеются анод и катод то электроды симистора так описать нельзя т.к каждый уго электрод является и анодом и катодом одновременно. Поэтому симистор способен пропускать ток в обоих направлениях. Именно поэтому он отлично работает в цепях переменного тока.

Очень простой схемой, поясняющей принцип симистора является регулятор симисторный регулятор мощности.

После подачи напряжения на один из выводов симистора поступает переменное напряжение. На электрод, являющийся управляющим с диодного моста поступает отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор отпирается и ток поступает в подключенную нагрузку. В момент времени, когда на входе симистора меняется полярность напряжения он запирается. Затем алгоритм повторяется.

Чем выше уровень управляющего напряжения тем быстрее срабатывает симистор и длительность импульса на нагрузке увеличивается. При снижении уровня управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке также снижается. На выходе симисторного регулятора напряжение будет пилообразной формы с регулируемой длительностью импульса. Таким образом, регулируя управляющее напряжение мы можем изменять яркость лампочки накаливания или температуру жала паяльника подключенных в качестве нагрузки.

Итак симистор управляется как отрицательным так и положительным напряжением. Давайте выделим его минусы и плюсы.

Плюсы: низкая стоимость, большой срок службы, отсутствие контактов и, как следствие, отсутствие искрения и дребезга.
Минусы: достаточно чувствителен к перегреву и его обычно монтируют на радиаторе. Не работает на высоких частотах, так как не успевает переходить из открытого состояния в закрытое. Реагирует на внешниепомехи, вызывающие ложное срабатывание.

Следует также упомянуть о особенностях монтажа симисторов в современной электронной техники.

При малых нагрузках или если в ней протекают короткие импульсные токи, монтаж симисторов можно осуществлять без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях – его наличие строго обязательно.
К теплоотводу тиристор может фиксироваться крепежным зажимом или винтом
Для снижения вероятности ложного срабатывания из-за шумов, длина проводов должна быть минимальна. Для подсоединения рекомендуется использовать экранированный кабель или витую пару.

Или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень и надежности конструкции.

Силовые ключи . Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность, которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется, т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

Появление четырехслойных p-n-p-n полупроводниковых элементов совершило настоящий прорыв в силовой электронике. Такие устройства получили название «тиристоров». Кремниевые управляемые вентили являются наиболее распространенным семейством тиристоров.

Данный вид полупроводниковых приборов имеет следующую структуру:

Как видим из структурной схемы тиристор имеет три вывода – катод, управляющий электрод и анод. Подключению к силовым цепям подлежат анод и катод, а управляющий электрод подключается к системе управления (слаботочные сети) для управляемого открытия тиристора.

На принципиальных схемах тиристор имеет такое обозначение:

Вольт-амперная характеристика показана ниже:

Давайте подробнее рассмотрим эту характеристику.

Обратная ветвь характеристики

В третьем квадранте характеристики диодов и тиристоров равны. Если к аноду приложить отрицательный потенциал относительно катода, то к J 1 и J 3 прикладывается обратное напряжение, а к J 2 — прямое, что вызовет протекание тока обратного (он очень мал, как правило несколько миллиампер). Когда же это напряжение увеличится до так называемого напряжения пробоя, произойдет лавинное нарастание тока между J 1 и J 3 . При этом, если данный ток не будет ограничен, то произойдет пробой перехода с последующим выходом из строя тиристора. При обратных же напряжениях, которые не превышают напряжения пробоя, тиристор будет вести себя как резистор с большим сопротивлением.

Зона низкой проводимости

В данной зоне все наоборот. Потенциал катода будет отрицательный по отношению к потенциалу анода. Поэтому к J 1 и J 3 будет приложено прямое, а к J 2 – обратное напряжение. Результатом чего станет весьма малый анодный ток.

Зона высокой проводимости

Если напряжение на участке анод – катод достигнет значения, так называемого напряжением переключения, то произойдет лавинный пробой перехода J 2 и тиристор будет переведен в состояние высокой проводимости. При этом U a снизится от нескольких сотен до 1 — 2 вольт. Оно будет зависеть от типа тиристора. В зоне высокой проводимости ток, протекающий через анод, будет зависеть от нагрузки внешней элемента, что дает возможность рассматривать его в этой зоне как замкнутый ключ.

Если пропустить ток через управляющий электрод, то напряжение включения тиристора уменьшится. Оно напрямую зависит от тока управляющего электрода и при достаточно большом его значении практически равно нулю. При выборе тиристора для работы в схеме, то его подбирают таким образом, чтоб напряжения обратное и прямое не превышали паспортных значений напряжений пробоя и переключения. Если эти условия выполнить трудно, или имеется большой разброс в параметрах элементов (например необходим тиристор на 6300 В, а его ближайшие значения 1200 В), то иногда применяют или включение элементов.

В нужный момент времени с помощью подачи импульса на управляющий электрод можно перевести тиристор с закрытого состояния в зону высокой проводимости. Ток УЭ, как правило, должен быть выше минимального тока открытия и он составляет порядка 20-200 мА.

Когда анодный ток достигнет определенного значения, при котором запирания тиристора невозможно (ток переключения), управляющий импульс может быть снят. Теперь тиристор сможет перейти обратно в закрытое состояние только при уменьшении тока ниже, чем ток удержания, или прикладыванием к нему напряжения обратной полярности.

Видео работы и графики переходных процессов

Данный прибор можно рассматривать и применять в качестве электронного выключателя или ключа, которые управляются с помощью нагрузки слабыми сигналами, а также могут переключаться из одного режима в другой. Общее количество современных тиристоров разделяется по способу управления и по степени проводимости, одно направление или два (такие приборы также называют симисторами).

Тиристоры также характеризуются нелинейной вольтамперной особенностью с наличием участка отрицательного дифференциального сопротивления. Эта особенность делает подобные приборы схожими с транзисторными ключами, но имеются между ними и различия. Так в переход из одного состояния в другое в цельной электрической цепи происходит путем лавинообразного скачка, а также методом внешнего воздействия на сам прибор. Последнее осуществляется двумя вариантами – токовым напряжением или воздействием света фототиристора.

Применение и типы тиристоров

Сфера применения данных приборов довольно разнообразна – это электронные ключи, современные системы CDI, механически управляемые выпрямители, диммеры или регуляторы мощности, а также инверторные преобразователи.

Как уже говорилось выше, подобные приборы разделяются на диодные и триодные. Первый тип также называют динисторами с двумя выводами, он разделяется на приборы, не имеющие возможность осуществлять проводимость в обратном направлении, на тип с проводимостью в обратном направлении и на симметричные приборы. Второй включает в себя триодные тиристоры с проводимостью в обратном направлении, приборы с отсутствием проводимости в обратном направлении, симметричные тиристоры, ассиметричные приборы и запираемые тиристоры.

Между ними, кроме количества выводов, нет существенных и принципиальных различий. Но, если в динисторе открытие происходит после достижения между анодом и катодом напряжения, зависящего от типа устройства, то в тиристоре имеющееся напряжение может быть в разы снижено или вовсе снято с помощью подачи токового импульса.

Существуют различия между триодными тиристорами и запираемыми приборами. Так у первого типа переключение в режим закрытого состояния происходит после снижения тока или после изменения полярности, а у запираемых устройств переход в открытое осуществляется путем воздействия тока на управляющий электрод.

ПОЛУПРОВОДНИКИ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ТИРИСТОРА — ТЕХНИЧЕСКИЕ СТАТЬИ

Ток затвора подается при желании мгновенного включения. Включение тиристора обеспечивается при более высоком анодном напряжении, чем на катоде. После того, как включение с помощью IA достигает значения, известного как ток фиксации, тиристор продолжает проводить даже после того, как сигнал затвора был удален.Следовательно, для включения тиристора требуется только импульс тока затвора.

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) — определение, конструкция, режимы работы и VI-характеристики

ср знаю, что диод позволяет электрический Текущий в одном направлении и блокирует электрический ток в другом направление. Другими словами, диод преобразует переменный ток. ток в постоянный ток Текущий.Это уникальное поведение диодов позволяет строить различные типы выпрямители типа половинные волна, полная волна и мост выпрямители. Эти выпрямители преобразует переменный ток в постоянный.

г. полуволновые, двухполупериодные и мостовые выпрямители используют нормальные p-n переходные диоды (двухслойные диоды).Итак, если напряжение примененная к этим диодам достаточно высокая, то диоды может быть уничтожен. Итак, выпрямители не может работать при высоком напряжении.

Чтобы преодолеть этот недостаток, ученые разработали специальный тип выпрямителя, известный как Выпрямитель с кремниевым управлением. Эти выпрямители выдерживают высокое напряжение.

Выпрямитель с кремниевым управлением Определение

Выпрямитель с кремниевым управлением — это 3 терминал и 4-х слойное полупроводниковое устройство управления током.Он в основном используется в устройствах для управления большой мощностью. Выпрямитель с кремниевым управлением также иногда называют Диод SCR, 4-слойный диод, 4-слойное устройство или тиристор. это изготовлен из кремниевого материала, который контролирует высокую мощность и преобразует сильный переменный ток в постоянный (выпрямление). Следовательно, он называется выпрямителем с кремниевым управлением.

Что контролируется кремнием? Выпрямитель?

Кремниевый выпрямитель устройство управления однонаправленным током.Как нормальный p-n-переходный диод, он пропускает электрический ток только в одном направление и блокирует электрический ток в другом направлении. А диод с нормальным p-n переходом состоит из двух полупроводниковых слоев. а именно P-типа и N-типа. Однако диод SCR состоит из 4 полупроводниковых слоев чередование материалов типа P и N.

Принцип p-n-p-n переключения был разработан Tanenbaum, Goldey, Moll и Холоняк из Bell Laboratories в 1956 году.Кремний управляемый выпрямитель разработан командой энергетиков во главе с Гордоном Холлом и коммерциализированной Фрэнком В. Фрэнком В. «Билл» Гуцвиллер в 1957 году. На заре создания этого устройства разработка, его часто называют такими именами, как SCR и управляемый выпрямитель. Однако в наши дни это устройство часто упомянутый Thyristor.

Выпрямители с кремниевым управлением используется в приложениях управления мощностью, таких как мощность, подаваемая на электродвигатели, реле управления или индукционные нагревательные элементы где мощность должна контролироваться.

Кремний Управляемый выпрямитель, символ

Схематическое обозначение кремния. управляемый выпрямитель показан на рисунке ниже. SCR диод состоит из трех клемм, а именно анода (A), катода (K), затвора (ГРАММ). Стрелка диода показывает направление обычного Текущий.

Строительство выпрямителя с кремниевым управлением

Выпрямитель с кремниевым управлением состоит из 4-х полупроводниковых слоев чередующегося типа P и N материалы, из которых формируются конструкции НПНП или ПНПН.Имеет три P-N стыки, а именно J ₁ , J _2, J ₃ с тремя выводами, прикрепленными к полупроводниковым материалам а именно анод (A), катод (K) и затвор (G). Анод — это положительно заряженный электрод, через который обычный ток поступает в электрическое устройство, катод — это отрицательно заряженный электрод, через который обычный ток покидает электрическое устройство, ворота — это клемма, которая контролирует ток между анодом и катодом.Ворота Терминал также иногда называют контрольным терминалом.

Анодный вывод диода SCR соединен с первым материалом p-типа структуры PNPN, катодный вывод соединен с последним материалом n-типа, и клемма затвора соединена со вторым материалом p-типа Ближайшая к катоду структура ПНПН.

В выпрямителе с кремниевым управлением, Кремний используется как собственный полупроводник.При добавлении пятивалентных примесей к этому внутреннему полупроводник, образуется полупроводник N-типа. Когда трехвалентный примеси добавляются к собственному полупроводнику, p-тип полупроводник.

Когда 4 полупроводниковых слоя чередующиеся материалы типа P и N кладут друг на друга, В структуре ПНПН образуются три перехода. В PNPN конструкции, стык J ₁ формируется между первым слоем P-N стык J ₂ образуется между слоем N-P и переходом J ₃ образуется между последним слоем P-N.Допинг ПНПН структура зависит от применения диода SCR

режимов работы в SCR

Есть три режима работы для выпрямителя с кремниевым управлением (SCR), в зависимости от предвзятое отношение к нему.

1) Режим блокировки в прямом направлении (выключенное состояние)

2) Режим прямого включения (включено)

3) Обратный режим блокировки (выключенное состояние)

1) Режим прямой блокировки (выключенное состояние)

В этом режиме работы положительное напряжение (+) подается на анод A (+), отрицательное напряжение (-) подается на катод K (-), а затвор G разомкнут, как показано на рисунке ниже.В этом случае переход J ₁ и разветвление J ₃ смещены вперед, тогда как переход J2 становится обратный смещенный. Из-за напряжения обратного смещения ширина области истощения увеличивается на стыке J ₂ . Эта область истощения на стыке J ₂ действует как стена или препятствие между перекрестком J ₁ и перекресток J ₃ .Он блокирует текущий ток между развязкой ₁ и перекрестком ₃ . Следовательно, большая часть тока не течет. между развязкой ₁ и перекрестком ₃ . Однако протекает небольшое количество тока утечки. между развязкой ₁ и перекрестком ₃ .

При подаче напряжения на SCR достигает значения пробоя, неосновные носители высоких энергий вызывает лавинный срыв.При этом напряжении пробоя ток начинает течь через SCR. Но ниже этой поломки напряжения, SCR предлагает очень высокое сопротивление току и так что он будет в выключенном состоянии.

В этом режиме работы SCR смещен вперед, но ток все еще течет через него. Следовательно, он называется режимом прямой блокировки.

2) Прямой проводящий режим (включенное состояние)

Выпрямитель с кремниевым управлением может заставить вести себя двумя способами:

1. За счет увеличения напряжения прямого смещения, приложенного между анодом и катод за напряжением пробоя
2. Путем подачи положительного напряжения на вывод затвора.

В первом случае прямое смещение напряжение, приложенное между анодом и катодом, увеличивается сверх напряжение пробоя, неосновные носители (свободные электроны в анод и дырки в катоде) получает большое количество энергии и разогнался до больших скоростей. Это высокоскоростное меньшинство носители сталкиваются с другими атомами и генерируют больше заряда перевозчики. Точно так же много столкновений происходит с другими атомами.Благодаря этому генерируются миллионы носителей заряда. Как в результате происходит пробой обедненной области на стыке J ₂ и ток начинает течь через тиристор. Таким образом, SCR будет в состоянии Вкл. Ток в SCR быстро увеличивается после происходит пробой соединения.

Во втором случае небольшой положительный на вывод затвора подается напряжение _G В.Как мы знайте, что в режиме прямой блокировки ток не течет через цепь из-за наличия широкой области истощения на перекрестке J ₂ . Эта область истощения образовалась из-за обратного смещения клеммы затвора. Так что эта проблема может легко решить, приложив небольшое положительное напряжение к Терминал ворот. Когда небольшое положительное напряжение подается на терминал ворот, он станет смещенным вперед.Итак, истощение ширина области на стыке J ₂ становится очень узкой. В этом случае приложение небольшого напряжения прямого смещения между анодом и катодом достаточно, чтобы электрический ток проникают через эту узкую область истощения. Следовательно, электрический ток начинает течь через цепь SCR.

Во втором случае нам не нужно применять большое напряжение между анодом и катодом.Небольшое напряжение между анод и катод, а положительное напряжение на выводе затвора Достаточно перевести SCR из режима блокировки в режим проводки.

В этом режиме работы SCR смещен вперед, и через него течет ток. Следовательно, он назван как прямой проводящий режим.

3) Режим обратной блокировки (включено)

В этом режиме работы отрицательное напряжение (-) подается на анод (+), положительное напряжение (+) подается на катод (-), и затвор имеет разомкнутую цепь, как показано на рисунок ниже.В этом случае переход J ₁ и переход J ₃ имеют обратное смещение, тогда как переход J2 становится предвзятым.

В качестве стыков J ₁ и разветвление J ₃ имеют обратное смещение, нет ток протекает через цепь SCR. Но небольшая утечка ток течет из-за дрейфа носителей заряда в прямом смещенный переход J ₂ .Этот небольшой ток утечки не достаточно включить SCR. Таким образом, SCR будет в выключенном состоянии.

V-I Характеристики SCR

V-I характеристики SCR показано на рисунке ниже. Горизонтальная линия внизу цифра представляет величину напряжения, приложенного к SCR, тогда как вертикальная линия представляет количество ток течет в SCR.

V _A = анодное напряжение, I _A = Анодный ток, + В _A = прямое анодное напряжение, + I _A = Прямой анодный ток, -V _A = Обратный анод напряжение, + I _A = обратный анодный ток

V-I характеристики SCR разделен на три региона:

• Область прямой блокировки
• Область прямой проводимости
• Область обратной блокировки

В этой области положительное напряжение (+) подается на анод (+), отрицательное напряжение (-) подается на катод (-), и затвор открыт.Благодаря этому соединение J ₁ и J ₃ становится смещенным вперед в то время как J ₂ становятся смещенными в обратном направлении. Поэтому небольшой ток утечки протекает от анода к катодным выводам SCR. Этот небольшой ток утечки известен как прямая утечка. Текущий.

Область ОА V-I характеристик известен как область прямой блокировки, в которой SCR не проводить электрический ток.

• Область прямой проводимости

Если приложено напряжение прямого смещения между анодом и катодом увеличивается за пределами пробоя напряжения, неосновные носители (свободные электроны на аноде и дырки в катоде) набирает большое количество энергии и ускоряется к большим скоростям. Это высокоскоростные неосновные авианосцы сталкивается с другими атомами и генерирует больше носителей заряда.Точно так же много столкновений происходит с атомами. В связи с этим, генерируются миллионы носителей заряда. В результате истощение пробой области происходит на переходе J ₂ и текущем начинает течь через SCR. Таким образом, SCR будет во включенном состоянии. Ток в SCR быстро увеличивается после перехода происходит поломка.

Напряжение, при котором находится спай J ₂ ломается, когда ворота открыты, называется прорывом вперед напряжение (В _BF ).

Район до нашей эры V-I характеристика называется областью проводимости. В этом регионе ток, протекающий от анода к катоду, быстро увеличивается. В область AB указывает, что как только устройство включается, напряжение на тиристоре падает до нескольких вольт.

В этой области отрицательное напряжение (-) подается на анод (+), положительное напряжение (+) подается на катод (-), и затвор открыт.В этом случае перекресток ₁ и перекресток ₃ являются обратное смещение, тогда как переход J2 становится предвзятым.

As стыки J ₁ и стыки J ₃ являются с обратным смещением, ток через цепь SCR не протекает. Но небольшой ток утечки протекает из-за дрейфа заряда. носители в прямом смещенном переходе J ₂ .Этот небольшой ток утечки называется током обратной утечки. Эта небольшая утечка тока недостаточно для включения SCR.

Если приложено напряжение обратного смещения между анодом и катодом увеличивается сверх обратного напряжение пробоя ( _ВR ), лавинный пробой происходит. В результате ток быстро увеличивается. Область EF называют зоной обратного схода лавины.Этот быстрый рост ток может повредить устройство SCR.

Различные методы включения тиристора или тиристора?

Тиристор можно переключить из непроводящего состояния в проводящее состояние несколькими способами:

В этом методе, когда прямое напряжение анода на катод увеличивается при разомкнутой цепи затвора, затем происходит обратное смещение перехода J ₂ будет иметь лавинный пробой при напряжении, называемом прорывом вперед по напряжению V _BO .При этом напряжении тиристор или тиристор переходит из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ. Прямое падение напряжения на тиристоре во включенном состоянии составляет от 1 до 1,5 В и немного увеличивается с увеличением тока нагрузки

Ширина обедненного слоя тиристора уменьшается при повышении температуры перехода. Таким образом, в SCR, когда приложенное напряжение очень близко к напряжению пробоя, устройство может срабатывать, увеличивая температуру его перехода.При приложении температуры до определенной степени возникает ситуация, когда обратный смещенный переход разрушается, заставляя устройство проводить. Этот метод срабатывания тиристора путем нагрева известен как процесс термического срабатывания.

Тиристоры бомбардируются энергетическими частицами, такими как нейтроны и протоны. Световая энергия фокусируется на обедненной области, что приводит к образованию носителей заряда. Это приводит к мгновенному протеканию тока в устройстве и срабатыванию устройства.

В этом методе запуска, если приложенная скорость изменения напряжения велика, устройство будет включаться, даже если напряжение, появляющееся на устройстве, небольшое. Мы знаем, что когда SCR подается с прямым напряжением на анод и катод, переходы j ₁ и j ₃ будут находиться в прямом смещении, а переход j ₂ будет в обратном смещении. Этот обратносмещенный переход ₂ будет иметь характеристики конденсатора из-за наличия зарядов на переходе.Если внезапно приложить прямое напряжение, будет течь зарядный ток, стремящийся включить тиристор. Эта величина зарядного тока зависит от скорости изменения приложенного напряжения.

Это наиболее часто используемый метод запуска SCR или тиристора. Для запуска затвора сигнал подается на затвор и катод устройства. При подаче положительного сигнала на вывод затвора тиристора он срабатывает задолго до указанного превышения напряжения отключения.Для запуска SCR можно использовать три типа сигналов. Это либо сигнал постоянного тока, либо сигнал переменного тока, либо импульсный сигнал.

Запуск затвора постоянного тока:

В этом типе запуска между затвором и катодом прикладывается постоянное напряжение надлежащей величины и полярности, так что затвор становится положительным по отношению к катоду. Когда приложенного напряжения достаточно для создания требуемого тока затвора, устройство начинает проводить

Недостатки:

1. И силовая, и управляющая цепи работают по постоянному току, и между двумя
отсутствует изоляция.
2. должен быть подан непрерывный сигнал постоянного тока для включения устройства от выключения.Отсюда потеря мощности на затворе

Запуск затвора переменного тока:

Источник переменного тока является наиболее часто используемым источником запуска для тиристоров в приложениях переменного тока.

Преимущества:

Имеют преимущества по сравнению с источником постоянного тока, такие как изоляция питания между цепями питания и цепями управления, а угол зажигания можно контролировать, изменяя фазовый угол управляющего сигнала.

Недостаток:

1. Привод затвора поддерживается в течение одного полупериода включения устройства.
2. Сильное обратное напряжение приложено к затвору и катоду во время отрицательного полупериода.

Недостатком этой схемы является то, что требуется отдельный трансформатор для понижения подачи переменного тока, что увеличивает стоимость.

Запуск импульсного затвора:

Это самый популярный метод запуска SCR. В этом методе привод затвора состоит из периодически появляющегося одиночного импульса или последовательности высокочастотных импульсов. Это называется стробированием несущей частоты. Для изоляции используется импульсный трансформатор.Основное преимущество этого метода заключается в том, что нет необходимости применять непрерывный сигнал затвора, и, следовательно, потери затвора очень сильно снижаются. Гальваническая развязка также предусмотрена между источником питания основного устройства и его сигналами стробирования.

Патент США на упакованную схему защиты от перенапряжения для запуска тиристоров Патент (Патент № 10,304,970, выданный 28 мая 2019 г.)

Настоящая заявка является продолжением и испрашивает приоритет согласно 35 U.S.C. § 120 из непредвиденной заявки на патент США сер. № 13/892 237, озаглавленный «Комплексная схема защиты от перенапряжения для срабатывания тиристоров», поданный 10 мая 2013 г., теперь патент США № № 9,935,206, предмет которого включен в настоящее описание в качестве ссылки.

Описанные варианты осуществления относятся к переключающим диодам и связанным с ними структурам и способам.

РИС. 1 (предшествующий уровень техники) — обозначение тиристора 1 .Обычный тиристор — это трехполюсный полупроводниковый прибор, который имеет четыре слоя чередующегося материала N-типа и материала P-типа. ИНЖИР. 2 (Уровень техники) показывает пример, в котором тиристорное устройство 1, имеет структуру P-N-P-N. Катодный электрод 2, соединен с материалом N-типа на одной стороне устройства, а анодный электрод 3 соединен с материалом P-типа на другой стороне устройства. Электрод затвора , 4, соединен со слоем P-типа, ближайшим к катоду.Структура имеет три PN-перехода, последовательно названные J 1 , J 2 и J 3 , со стороны анодного электрода устройства. Работа тиристорного устройства объясняется с помощью пары плотно связанных транзисторов с биполярным переходом, расположенных с самоблокировкой, как показано на фиг. 3 (Предшествующий уровень техники). Один биполярный транзистор 5 представляет собой NPN-транзистор, чей эмиттер N-типа соединен с катодным электродом. Другой биполярный транзистор 6 представляет собой PNP-транзистор, эмиттер P-типа которого соединен с анодным электродом.Считается, что тиристор работает в одном из трех режимов: 1) в режиме обратной блокировки, 2) в режиме прямой блокировки и 3) в режиме прямой проводимости.

Если катодный электрод имеет положительное напряжение относительно анодного электрода, то ток не течет от катода к аноду, потому что переход J 3 и / или переход J 1 имеет обратное смещение. Эти два PN перехода можно рассматривать как последовательно соединенную пару диодов с обратным смещением.Это называется режимом обратной блокировки. Подача запускающего импульса на затвор не имеет никакого эффекта.

Если анод имеет положительное напряжение относительно катода, но на электрод затвора относительно катодного электрода не подается напряжение, то переходы J 1 и J 3 смещены в прямом направлении, а переходы J 2 спай с обратным смещением. Из-за того, что переход J 2 имеет обратное смещение, нет проводимости и тиристор выключен.Это называется режимом прямой блокировки. Напряжение между анодом и катодом прикладывается в направлении, которое могло бы вызвать проводимость, если бы через переход J 2 протекал ток, но тиристор не сработал. При некотором напряжении электрическое поле в переходе J 2 становится настолько сильным, что переход J 2 начинает разрушаться, и начинает течь небольшой лавинный ток, но его недостаточно для включения транзистора. 5 .

Если напряжение между анодом и катодом увеличивается сверх напряжения прямого пробоя V _{(BO) F} тиристора, то величина лавинного тока достигает тока срабатывания, что вызывает включение транзистора 5 , и заставляет тиристор начать проводить. Это называется режимом прямой проводимости.

Если положительное напряжение приложено к электроду затвора относительно катодного электрода, то начало лавинообразного пробоя перехода J 2 происходит при более низком (но все еще положительном) напряжении анод-катод.Таким образом, напряжение между анодом и катодом, при котором включается тиристор, зависит от напряжения на затворе (напряжение между затвором и катодом). Это положительное напряжение затвора, которое вызывает включение тиристора (из-за лавинного пробоя перехода J 2 ), может быть вызвано подачей кратковременного импульса тока 7 в электрод затвора 4 . Независимо от того, происходит ли срабатывание из-за импульса напряжения затвора или из-за тока импульса, запускающий эффект срабатывания тиристора одинаков в том, что начинается лавинный пробой перехода J 2 .

После того, как произошел лавинный пробой перехода J 2 и тиристор включен и проводит ток от анода к катоду, тиристор остается зафиксированным в этом включенном состоянии, а тиристор продолжает работать, независимо от изменений в затворе. напряжения до тех пор, пока либо анод не перестанет смещаться в прямом направлении относительно катода, либо пока ток через тиристор (от анода к катоду) не станет меньше, чем ток удержания I _H . После срабатывания тиристора снятие тока срабатывания не приводит к отключению тиристора.Если анод положительно смещен относительно катода, то тиристор нельзя выключить, если анодный ток не упадет ниже удерживающего тока I _H . Однако тиристор можно выключить, если внешняя цепь на мгновение вызывает отрицательное смещение анода относительно катода.

Очень большие и дорогие тиристоры используются для переключения высоких напряжений в системах с большой мощностью. Из-за ограниченного максимального прямого падения напряжения (от анода к катоду), которое может быть передано через тиристор до того, как он проведет слишком большой ток и выйдет из строя, многие тиристоры обычно собираются вместе последовательно в так называемую батарею.Таким образом, каждый тиристор батареи должен обрабатывать только часть общего высокого прямого падения напряжения на батарее. Управляя напряжениями затвора отдельных тиристоров в пакете, можно заставить стек работать как один переключатель высокого напряжения и большой мощности, который либо проводит от одного конца стека к другому, либо не проводит. Тиристорные блоки используются, например, в мегаваттном преобразовании мощности переменного тока в постоянный и постоянный ток в переменный ток, например, когда высокое постоянное напряжение представляет собой напряжение на высоковольтной линии электропередачи постоянного тока.Если бы величина постоянного высокого напряжения была на мгновение высокой, например, из-за удара молнии по линии электропередачи, то на тиристорной батарее на мгновение могло бы возникнуть недопустимо высокое переходное напряжение (анодное напряжение слишком высокое положительное. напряжение по отношению к катоду), вызывая чрезмерный ток через батарею, если тиристоры были включены, и вызывая локальный перегрев и выход из строя батареи. Чтобы избежать этого и защитить тиристоры пакета от такого переходного состояния перенапряжения, используется устройство защиты от перенапряжения, называемое устройством BOD (Break Over Diode).Устройства BOD связаны с тиристорами пакета таким образом, что устройства BOD включают тиристоры до того, как чрезмерное перенапряжение на тиристорах может повредить тиристоры. Устройство защиты от перенапряжения BOD определяет состояние высокого напряжения и включается, тем самым заставляя ток затвора течь в затвор каждого тиристора и тем самым включая тиристор.

БПК-диод — это тиристор, электрод затвора которого не выведен из устройства для внешнего подключения.Диод BOD имеет анодный электрод и катодный электрод, но электрод затвора устройства не выведен. Диод BOD не срабатывает под действием внешнего импульса тока затвора, как описано выше в случае обычного тиристора, а срабатывает диод BOD при возникновении лавинного тока, который генерируется внутри самого устройства BOD. Поэтому работа BOD-диода объясняется с использованием терминологии, использованной выше в связи со структурой биполярного транзистора с самоблокировкой, показанной на фиг.3. В режиме прямой блокировки, когда напряжение анод-катод увеличивается до V _{(BO) F} , переходы J 1 и J 3 смещены в прямом направлении, а переход J 2 перевернут. пристрастный. На этом смещенном в обратном направлении переходе J 2 образуется обедненная область, и возникающее в результате разделение заряда на переходе приводит к возникновению локализованного электрического поля. Напряженность электрического поля возрастает до такой степени, что ковалентные связи материала в переходе J 2 разрываются, и течет лавинный ток, при этом генерируемые электроны притягиваются к относительному положительному потенциалу анода и образуются дырки. тянутся в направлении, противоположном относительному отрицательному потенциалу катода.Дырочный поток через слой P-типа между J 2 и J 3 приводит к падению напряжения на материале слоя P-типа. Если лавинный ток имеет адекватную величину, то падение напряжения превышает 0,7 вольт, в результате чего напряжение база-эмиттер NPN-транзистора 5 (см. Фиг. 3) превышает 0,7 вольт. Это вызывает включение NPN-транзистора 5 . При включении NPN-транзистора 5 ток базы выводится из базы PNP-транзистора 6 .PNP-транзистор 6 включается и подает ток со своего коллектора на базу NPN-транзистора 5 . Таким образом, два транзистора фиксируются самозакрывающимся способом, при этом каждый из них передает ток базы другому. После того, как диод BOD сработает таким образом, он останется включенным, если только анод больше не будет смещен в прямом направлении относительно катода или пока ток через диод BOD не упадет ниже удерживающего тока I _H .

В приложении защиты от перенапряжения диод BOD соединен параллельно с силовым тиристором блока, так что если на силовом тиристоре возникает чрезмерное прямое напряжение, то диод BOD подвергается пробою и включается, тем самым проводя ток. . Этот ток подается на тиристор как пусковой импульс, так что тиристор включается. Соответственно, когда прямое напряжение на тиристоре достигает достаточно высокого напряжения, переключающий диод подает ток срабатывания на тиристор и заставляет тиристор включаться.При включении тиристора прямое падение напряжения на тиристоре уменьшается. Таким образом, тиристор защищен от перенапряжения.

РИС. 4 (предшествующий уровень техники) представляет собой схему поперечного сечения обычного диода с объемным BOD 8 . Структура тиристора ПНПН очевидна. В то время как анодный электрод 3 структуры PNPN на фиг. 2 показан сверху, анодный электрод 9 диода BOD на фиг. 4 показан снизу.Слой подложки 10 P-типа является первым тиристорным слоем P-типа, слой подложки N- типа 11 является вторым тиристорным слоем N-типа, базовая область 12 P-типа является третьим тиристорным слоем P-типа, и область типа N + 13 является четвертым тиристорным слоем N-типа. Слои 10 и 11 оба выполнены из кремния подложки, поэтому BOD упоминается здесь как «объемный» BOD. Ссылочная позиция 14 обозначает катодный электрод.Устройство BOD имеет защитные кольца 15 и 16 , а также периферийный ограничитель мелкого канала 17 .

РИС. 5 (Уровень техники) — диаграмма, которая показывает электрическое поле вдоль линии A-A ‘на фиг. 4 непосредственно перед началом схода лавины. Пик электрического поля находится на переходе J 2 PN. PN-переход J 2 находится между базовым слоем 11 N- типа и базовой областью 12 P-типа. Когда напряженность электрического поля в этой точке достаточно высока, начинает течь лавинный ток.Если величина тока, протекающего от перехода сбоку под эмиттерной областью 13 через сопротивление материала P-типа области 12 и к катодному электроду 14 , достаточно высока, то результирующее падение напряжения достигнет 0,7. вольт. Это падение на 0,7 В составляет 0,7 напряжения база-эмиттер на NPN-транзисторе, поэтому тиристор сработает, как описано выше.

РИС. 6 (предшествующий уровень техники) представляет собой схему, которая показывает включение устройства BOD 8 фиг.4. Устройство BOD имеет 8, имеет обратное напряжение пробоя от -200 вольт до -300 вольт. В состоянии прямого напряжения сплошная линия 18 на фиг. 6 представляет ток, протекающий через устройство BOD от анода к катоду. Пунктирная линия 19 — это напряжение между анодом и катодом на устройстве BOD. Как можно видеть, устройство BOD начинает проводить заметный ток при прямом напряжении переключения анод-катод V _{(BO) F} , составляющем около +450 вольт. Это время, когда лавинный ток в устройстве BOD достигает тока срабатывания.После этого ток увеличивается, а напряжение на устройстве BOD уменьшается. В момент времени 0,6 микросекунды напряжение между анодом и катодом на устройстве BOD упало до нуля вольт. Время включения (T _ON ) — это время с момента достижения внутреннего пускового тока за 0,1 микросекунды до момента, когда напряжение между анодом и катодом достигнет нуля вольт. Таким образом, время включения (T _ON ) составляет 0,5 микросекунды. Поскольку состояние высокого переходного перенапряжения может привести к выходу из строя силового тиристора батареи за короткий промежуток времени, для его функции защиты тиристора желательно быстрое включение BOD.

В первом новом аспекте сверхбыстрый отключающий диод имеет время включения T _ВКЛ менее 0,3 микросекунды, напряжение отключения более +400 вольт, а напряжение отключения изменяется менее одного процента. на десять градусов Цельсия. Напряжение переключения также воспроизводимо при изменении процесса производства полупроводников. В одном примере анодный металлический электрод расположен на нижней поверхности слоя P-типа полупроводникового материала подложки, а буферный слой N-типа из эпитаксиального полупроводникового материала расположен на слое P-типа.Буферный слой N-типа имеет концентрацию примеси N-типа от 1 × 10 ¹⁵ атомов / см ³ до 1 × 10 ¹⁶ атомов / см ³ . Тонкий слой базового слоя эпитаксиального полупроводникового материала N- типа расположен на буферном слое N-типа. Этот тонкий слой имеет толщину менее 130 микрон. Базовая область AP-типа простирается от поверхности полупроводника вниз в тонкий базовый слой N- на глубину D. Базовая область P-типа имеет периферийный край на поверхности полупроводника, а периферийный край имеет минимальный радиус кривизны R, который составляет как минимум вдвое больше глубины D.Кольцевая эмиттерная область N + -типа простирается вниз от поверхности полупроводника вниз в базовую область P-типа, так что материал базовой области P-типа простирается до поверхности полупроводника в центре кольцевой области N + и определяет короткую катодную область P тип полупроводникового материала. Короткая область катода имеет ширину на поверхности полупроводника менее 0,250 мм. Катодный металлический электрод расположен над частью кольцевого эмиттера типа N + и над короткой областью катода на поверхности полупроводника.Плавающее металлическое кольцо расположено на области основания P-типа.

Во втором новом аспекте высоковольтный пробойный диод имеет сравнимые напряжения прямого пробоя и обратного пробоя. В одном примере анодный металлический электрод расположен на нижней полупроводниковой поверхности слоя P-типа полупроводникового материала подложки. Базовый слой N- типа расположен на слое P-типа, а базовая область P-типа простирается от верхней поверхности полупроводника вниз в базовый слой N-типа. Кольцевая эмиттерная область N + -типа простирается вниз от верхней поверхности полупроводника в базовую область P-типа.Материал P-типа базовой области P-типа простирается до поверхности полупроводника в центре кольцевой эмиттерной области и определяет короткую область катода. Изоляционная диффузионная область AP-типа простирается от верхней поверхности полупроводника до нижней поверхности полупроводника, а изолирующая диффузионная область P-типа окружает базовый слой N- типа в боковом измерении, так что изолирующая диффузионная диффузия P-типа контактирует с каждым из четырех боковых краев матрица переключающего диодного устройства. Катодный металлический электрод расположен над частью кольцевого эмиттера типа N + и над короткой областью катода на верхней поверхности полупроводника.Устройство с переключающим диодом имеет прямое напряжение отключения (V _{(BO) F} ), превышающее четыреста вольт. Устройство с переключающим диодом также способно выдерживать обратное напряжение, абсолютное значение которого превышает прямое напряжение переключения, без пробоя.

В третьем новом аспекте пакетная схема защиты от перенапряжения включает в себя множество идентичных переходных диодных кристаллов и множество резисторов. Множество переходных диодных кристаллов соединены последовательно между первым выводом корпуса и вторым выводом корпуса.Множество резисторов соединены вместе в цепочку резисторов, так что один резистор включен параллельно каждому из множества кристаллов переключающих диодов. Множество переходных диодных кристаллов и множество резисторов заключены в корпус корпуса, из которого отходят первый и второй выводы корпуса. Каждый из переключающих диодов имеет обратное напряжение пробоя, которое по абсолютной величине больше, чем прямое напряжение пробоя отключающего диода, а прямое напряжение пробоя составляет не менее 400 вольт.Важно отметить, что пакетная схема защиты от перенапряжения не должна содержать дорогостоящий отдельный дискретный диод с высокой способностью к обратному пробою. Единственными полупроводниковыми компонентами пакетной схемы защиты от перенапряжения являются множество переходных диодных кристаллов. Соответственно, корпус корпуса не содержит полупроводникового кристалла, который содержит какой-либо компонент, кроме переключающего диода.

В одном из приложений собранная схема защиты от перенапряжения может использоваться для подачи тока срабатывания на затвор тиристора.Если напряжение между анодом и катодом тиристора превышает первое положительное напряжение, тогда отключающие диоды в пакетной схеме защиты от перенапряжения будут отключаться, так что ток срабатывания будет подаваться из пакетной схемы защиты от перенапряжения и в затвор блока. тиристор. Пусковой ток включает тиристор, и тиристор проводит большой ток, чтобы уменьшить напряжение на тиристоре между анодом и катодом до уровня ниже первого положительного напряжения.Большое отрицательное напряжение между затвором тиристора и анодом тиристора не повредит пакетную схему защиты от перенапряжения, поскольку пакетная схема защиты от перенапряжения может выдерживать обратное напряжение второго напряжения. Второе напряжение — это большое отрицательное напряжение, имеющее абсолютное значение больше, чем первое положительное напряжение. Количество последовательно соединенных переходных диодных кристаллов может быть увеличено для увеличения первого и второго напряжений. В одном примере первое напряжение составляет +8000 вольт, а второе напряжение составляет -10 000 вольт.

В одном примере между затвором и катодом тиристора предусмотрена демпфирующая схема, чтобы смягчить вредные воздействия всплесков напряжения переключения на пакетную схему защиты от перенапряжения. Токоограничивающий резистор включен последовательно со схемой защиты от перенапряжения в корпусе между анодом тиристора и затвором тиристора, чтобы ограничить величину тока срабатывания. Вторая идентичная схема (пакетная схема защиты от перенапряжения, тиристор, токоограничивающий резистор и демпферная схема) предусмотрена параллельно с первой схемой для защиты от больших отрицательных напряжений, которые более отрицательны, чем -8000 вольт.

Дополнительные детали, а также варианты осуществления и методы описаны в подробном описании ниже. Это краткое изложение не претендует на определение изобретения. Изобретение определяется формулой изобретения.

Прилагаемые чертежи, на которых одинаковые цифры обозначают одинаковые компоненты, иллюстрируют варианты осуществления изобретения.

РИС. 1 (предшествующий уровень техники) представляет собой схему символа тиристора.

РИС. 2 (предшествующий уровень техники) — упрощенная схема конструкции тиристора.

РИС. 3 (предшествующий уровень техники) — упрощенная принципиальная схема тиристора.

РИС. 4 (предшествующий уровень техники) представляет собой схему поперечного сечения диодного устройства с большим переключаемым сопротивлением.

РИС. 5 (Уровень техники) — схема, которая иллюстрирует электрическое поле вдоль линии сечения A-A ‘на фиг. 4.

РИС. 6 (предшествующий уровень техники) представляет собой диаграмму формы сигнала, которая показывает время включения T _ON устройства BOD на фиг. 4.

РИС. 7 — упрощенная диаграмма поперечного сечения кристалла переключающего диода (BOD) в соответствии с первым новым аспектом.

РИС. 8 — схема упаковки, которая содержит матрицу BOD, показанную на фиг. 7.

РИС. 9 — схематическая диаграмма упаковки, показанной на фиг. 8.

РИС. 10 — вид сверху вниз штампа BOD, показанного на фиг. 7.

РИС. 11 — вид нижней части матрицы BOD по фиг. 7.

РИС. 12 — принципиальная схема тестовых схем, используемых для проверки кристалла BOD, показанного на фиг. 7.

РИС. 13 — диаграмма формы сигнала, которая показывает время TON включения матрицы BOD по фиг. 7.

РИС.14 — диаграмма, которая иллюстрирует электрическое поле вдоль линии разреза B-B ‘на фиг. 7.

РИС. 15 — диаграмма, которая иллюстрирует область истощения в штампе BOD, показанном на фиг. 7 незадолго до схода лавины.

РИС. 16 — диаграмма, которая показывает устройства BOD, имеющие разное время включения, изготовленные как части одной и той же пластины.

РИС. 17 — диаграмма, показывающая, как прямое напряжение отключения кристалла BOD по фиг. 7 изменяется менее чем на один процент при изменении температуры на десять градусов Цельсия.

РИС. 18 — диаграмма, показывающая характеристику V-I матрицы BOD по фиг. 7.

РИС. 19 — схема схемы защиты тиристора, которая включает кристалл BOD, показанный на фиг. 7.

РИС. 20 — таблица, в которой изложены аспекты состава различных частей штампа BOD по фиг. 7.

РИС. 21 — таблица, которая показывает, как время включения устройства с архитектурой кристалла BOD по фиг. 7 можно регулировать.

РИС. 22 — вид в разрезе устройства BOD в соответствии со вторым новым аспектом.

РИС. 23 — схема пакета, который содержит устройство с переключающим диодом, показанное на фиг. 22.

РИС. 24 — схематическая диаграмма упаковки, показанной на фиг. 23.

РИС. 25 — схема устройства BOD по фиг. 22.

РИС. 26 — схема нижней части устройства BOD по фиг. 22.

РИС. 27 — вид в разрезе устройства BOD, показанного на фиг. 22, где показана область истощения J 1 для обратного напряжения около -300 вольт.

РИС.28 — вид в разрезе устройства BOD по фиг. 22, где показана область истощения J 1 для обратного напряжения около -500 вольт.

РИС. 29 — диаграмма, которая показывает время TON включения устройства BOD по фиг. 22, когда устройство BOD испытывается в испытательной схеме по фиг. 12.

РИС. 30 — диаграмма, которая показывает характеристику V-I устройства BOD по фиг. 22.

РИС. 31 — таблица, в которой изложены аспекты состава различных частей устройства BOD по фиг.22.

РИС. 32 — схема пакетной схемы защиты от перенапряжения в соответствии с третьим новым аспектом.

РИС. 33 — принципиальная схема пакетной схемы защиты от перенапряжения по фиг. 32 при использовании с тиристором, токоограничивающим резистором и демпфером.

Теперь будет сделана подробная ссылка на исходные примеры и некоторые варианты осуществления изобретения, примеры которых проиллюстрированы на сопроводительных чертежах.В описании и формуле изобретения ниже, когда первый объект упоминается как расположенный «поверх» или «на» втором объекте, следует понимать, что первый объект может находиться непосредственно на втором объекте, или промежуточный объект может находиться между первым и вторым предметами. Аналогичным образом, такие термины, как «верхний», «верхний», «верхний», «нижний» и «нижний» используются здесь для описания относительной ориентации между различными частями описываемой конструкции, и следует понимать, что общая Описываемая структура действительно может быть как угодно ориентирована в трехмерном пространстве.Обозначения N +, N-, N, P + и P являются только относительными и должны рассматриваться в контексте, и не обозначают какой-либо конкретный диапазон концентраций примеси.

РИС. 7 является схемой поперечного сечения устройства 20 с переключающим диодом (BOD) в соответствии с одним новым аспектом. Металлический анодный электрод 21, расположен на нижней поверхности слоя полупроводникового материала подложки P-типа 22 . Буферный слой 23 N-типа из эпитаксиального полупроводникового материала расположен на слое подложки P-типа 22 .Эпитаксиальный слой выращивают на подложке известными способами. Базовый слой 24 N- типа из эпитаксиального полупроводникового материала расположен на буферном слое 23 N-типа. Базовый слой N-типа 24 более слабо легирован легирующими добавками N-типа, чем буферный слой N-типа 23 . Слой 24 типа N простирается до верхней полупроводниковой поверхности 25 структуры кристалла. Нижняя полупроводниковая поверхность , 26, кристалла обозначена номером ссылки 26 .В проиллюстрированном примере две поверхности 25 и 26 по существу плоские. Базовая область 27 P-типа проходит вниз в базовый слой 24 N- типа от верхней поверхности полупроводника 25 . Кольцевая эмиттерная область N + -типа , 28, проходит вниз в базовую область P-типа , 27, от верхней поверхности полупроводника 25 , как показано. Область , 28, является кольцевой в том смысле, что она имеет форму кольца, если смотреть сверху вниз.Некоторое количество материала P-типа базовой области 27, P-типа выходит вверх в центре этой кольцевой структуры, так что материал P-типа достигает верхней поверхности 25 полупроводника. Это количество материала P-типа называется «короткой областью катода» 29 . Короткая область катода 29, имеет ширину W на верхней поверхности полупроводника 25 . Металлический катодный электрод 30 расположен на верхней поверхности полупроводника 25 так, что он контактирует с кольцевой эмиттерной областью типа N + 28 и с короткой областью катода 29 на верхней поверхности полупроводника 25 как показано.

Плавающее металлическое кольцо 31 расположено на верхней поверхности основной области 27 P-типа, так что плавающее металлическое кольцо 31 окружает металлический катодный электрод 30 , но не касается его. Плавающее металлическое кольцо , 31, является «плавающим» в том смысле, что оно электрически не связано с катодным металлическим электродом , 30, . Плавающее металлическое кольцо 31 не распространяется ни на какую часть базового слоя N- типа на поверхности 25 , а также не распространяется на какую-либо часть кольцевой эмиттерной области типа N + 28 на поверхности 25 .Плавающее металлическое кольцо 31 находится в контакте только с основной областью 27 P-типа. Кроме того, устройство BOD 20 включает два концентрических защитных кольца типа P + 32 и 33 . Защитное кольцо типа P + 32 окружает базовую область 27 типа P, а защитное кольцо типа P + 33 окружает защитное кольцо типа P + 32 . Кроме того, устройство BOD 20 включает стопорное кольцо канала типа N + 34 .

РИС. 8 представляет собой вид сбоку упакованного устройства BOD 40 . Матрица BOD типа, показанного на фиг. 7 заключен в пластмассовую часть корпуса 41 упаковки, показанной на фиг. 40. Металлический электрод анода 21, кристалла соединен с клеммой металлического корпуса PT 2 42 . Катодный металлический электрод 30 кристалла соединен с клеммой металлического корпуса PT 1 43 .

РИС. 9 — схематическая диаграмма упакованного устройства BOD 40 на фиг.8. Соединения 44 и 45 являются внутренними по отношению к корпусу.

РИС. 10 представляет собой схему верхней поверхности штампа BOD 20 . Катодный металлический электрод , 30, имеет квадратную форму, если смотреть сверху вниз, за ​​исключением того, что углы квадрата скруглены. Периферийный край базовой области 27 P-типа (если смотреть сверху вниз) имеет минимальный радиус кривизны радиуса R. Точно так же минимальный радиус кривизны R ‘плавающего металлического кольца 31 равен примерно Р.Если смотреть сверху вниз, полосковая форма плавающего металлического кольца 31, следует вдоль периферийной границы базовой области 27 P-типа.

РИС. 11 представляет собой схему нижней поверхности штампа BOD 20 . Практически вся нижняя поверхность матрицы BOD покрыта металлом анодного металлического электрода 21 .

РИС. 12 — принципиальная схема тестовой схемы. Источник высокого напряжения постоянного тока 46 изолирован от устройства BOD 20 резистором 5 кОм 47 , конденсатором 48 и катушкой индуктивности 49 .Значения конденсатора 48 и катушки индуктивности 49 выбираются в зависимости от ширины импульса и желаемого пикового тока. Антипараллельный диод 50 на 1800 В расположен параллельно с устройством BOD 20 для защиты устройства BOD 20 от любых больших отрицательных переходных напряжений, которые могут возникнуть в результате переключения. Если отрицательное переходное напряжение возникает на устройстве BOD 20 , то диод 50 будет проводить и ограничивать величину этого отрицательного напряжения на устройстве BOD.Трансформатор Пирсона 51 предназначен для обнаружения и измерения тока 52 , который может протекать. Во время работы переключатель , 53, замкнут, так что постоянное напряжение заряжает конденсатор 48 через резистор 47 . Напряжение на конденсаторе 48 увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто значение V _{(BO) F} устройства BOD 20 . Затем срабатывает устройство BOD 20 , и начинает течь ток 52 .Этот ток 52 измеряется через трансформатор Пирсона 51 . Из-за протекания тока 52 конденсатор 48 разряжается через индуктивность катушки индуктивности 49 .

РИС. 13 представляет собой диаграмму формы сигнала, показывающую напряжение на устройстве 20 BOD и ток 52 через устройство 20 BOD. Устройство BOD 20 по фиг. 7 имеет обратное напряжение пробоя -20 вольт. Пунктирная линия 54 на фиг.13 представляет напряжение на устройстве BOD 20 . Сплошная линия 55 показывает ток 52 , протекающий через устройство BOD 20 . Напряжение на устройстве BOD 20 увеличивается до тех пор, пока лавинный ток не достигнет внутреннего пускового тока устройства BOD 20 , при этом напряжение на устройстве BOD 20 составляет В _{(BO) F} за время 0,2 микросекунды. Устройство BOD 20, затем подвергается размыканию, и ток, протекающий через устройство BOD 20 , быстро возрастает.Соответственно, напряжение на устройстве 20 BOD быстро уменьшается. Напряжение на устройстве BOD 20 достигает нуля вольт за время 0,5 микросекунды. Время включения T _ON — это время с момента, когда лавинный ток достигнет тока срабатывания, до момента, когда напряжение на устройстве BOD упадет до нуля вольт. Таким образом, время включения T _ON составляет 0,3 микросекунды. Последующая часть осциллограмм напряжения и тока включает звон и переходные процессы, которые не важны для рассмотрения здесь.По сравнению с временем включения 0,5 микросекунды T _ON устройства BOD предшествующего уровня техники на фиг. 4, время включения 0,3 мкс T _ON устройства BOD по фиг. 7 значительно меньше.

В одном преимущественном аспекте устройство 20 BOD по фиг. 7 имеет уменьшенное время включения T _ON . Это достигается путем распознавания того, что задержка при включении в структуре предшествующего уровня техники на фиг. 4 в основном обусловлено медленной диффузией носителей заряда через нейтральную часть слоя типа N- 11 .Когда лавина возникает в PN-переходе между основной областью P , 12, и слоем N- типа 11 , требуется время, чтобы носители заряда прошли через структуру и достигли электродов. В новом устройстве BOD 20 по фиг. 7, толщина слоя 24 N-основы уменьшена до менее 130 микрон по сравнению с более толстым слоем 11 N- типа структуры предшествующего уровня техники на фиг. 4. Это уменьшает расстояние, которое должны пройти носители заряда при включении.Напряжение прямой блокировки устройства BOD, однако, ограничено началом пробоя. Если в ситуации обратного смещения область истощения в PN-переходе между основанием типа P 12 и материалом N- типа слоя 11 должна расшириться так далеко, что достигнет вершины P-типа. слой 10 , то произойдет пробивка. На этом этапе устройство выйдет из строя. Соответственно, в традиционной конструкции, показанной на фиг. 4 слой 11 N-типа выполнен достаточно толстым, чтобы при прямом напряжении высокого напряжения, которое устройство BOD должно выдерживать, область обеднения не доходила до слоя 10 P-типа.В новом устройстве по фиг. 7, с другой стороны, слой 24 N- типа делается тоньше, и его пробивание предотвращается за счет обеспечения более сильно легированного буферного слоя 23 N-типа. Из-за низкой концентрации легирования в слое 24 N- типа, обедненная область растет относительно быстро через этот слой по мере увеличения прямого напряжения на БПК-устройстве, но когда обедненная область достигает более высоколегированного буферного слоя N-типа 23 область истощения расширяется вниз намного медленнее с дальнейшим увеличением прямого напряжения.Концентрация легирования буферного слоя N-типа 23 выбрана достаточно высокой, чтобы обедненный слой эффективно останавливался и не проникал глубже десяти микрон в буферный слой N-типа 23 в момент достижения напряжения отключения. . Это определяет нижний предел концентрации примеси N-типа в буферном слое, равный приблизительно 1 × 10 ¹⁵ атомов / см ³ . С другой стороны, слишком высокая концентрация примеси N-типа в буферном слое снизит эффективность инжекции эмиттера P-типа транзистора PNP.Слой подложки типа P 22 является эмиттером этого PNP-транзистора. Если эффективность инжекции эмиттера PNP-транзистора уменьшается, то скорость включения будет уменьшена. Это определяет верхний предел для концентрации примеси N-типа в буферном слое N-типа 23 как приблизительно 1 × 10 ¹⁷ атомов / см ³ . Предпочтительный диапазон для легирующих примесей N-типа в буферном слое N-типа 23 составляет от 1 × 10 ¹⁵ атомов / см ³ до 1 × 10 ¹⁶ атомов / см ³ .Толщина буферного слоя 23 N-типа должна быть как можно меньшей, но при этом предотвращать проникновение обедненной области через буферный слой N-типа. В результате толщина буферного слоя 23 N-типа составляет приблизительно от 15 микрон до 25 микрон.

РИС. 14 — диаграмма, которая показывает напряженность электрического поля вдоль линии сечения B-B ‘в конструкции, показанной на фиг. 7. Наибольшая напряженность электрического поля наблюдается в PN-переходе между базовой областью 27 P-типа и базовым слоем 24 N- типа.Из этой высокой напряженности электрического поля электрическое поле уменьшается с относительно меньшей скоростью (по сравнению со скоростью уменьшения электрического поля на фиг. 5) через слаболегированный базовый слой 24 N-. Слой обеднения проходит через базовый слой 24 N- типа и в более высоколегированный буферный слой 23 N-типа. Соответственно, величина электрического поля уменьшается с относительно более высокой скоростью в буферном слое 24 N- типа.Область истощения заканчивается примерно на полпути к буферному слою N-типа 23 , задолго до того, как будет достигнута подложка P-типа.

РИС. 15 представляет собой схему поперечного сечения, которая показывает контур внешней протяженности области истощения. На диаграмме, когда прямое напряжение на устройстве BOD увеличивается, область истощения расширяется от JN-перехода (PN-переход между областью 17 P-типа и базовым N-слоем 24 ) вниз и вправо. Пунктирная линия 56 указывает внешнюю протяженность области истощения в момент времени до того, как произойдет лавинный прорыв.Пунктирная линия 57 указывает внешнюю протяженность области истощения в более поздний момент времени, когда есть большее прямое напряжение на устройстве BOD. Область истощения расширилась до верхней части буферного слоя N-типа 23 . Защитные кольца типа P + влияют и формируют контур границы области истощения, так что он имеет относительно гладкую форму при рассмотрении в трехмерном пространстве. Стопорное кольцо канала типа N + , 34, предотвращает расширение обедненной области в боковом направлении до боковых стенок матрицы.

Максимально возможное электрическое поле возникает в PN-переходе, в точке наибольшей кривизны в переходе. Эта область обозначена на фиг. 15 под номером ссылки 58 . В случае устройства BOD 20 , которое имеет очень короткое время включения TON, равное 0,3 микросекунды, срабатывание устройства из-за лавинного пробоя должно происходить быстро, и не хватает времени для токопроводящей области пробой на всю площадь излучателя.Текущий поток ограничен небольшой областью вокруг точки, где произошел сход лавины. В обычной конструкции такое срабатывание будет происходить в четырех точках в нижних углах базовой области P-типа. Базовая область P-типа обычно имеет углы, если смотреть сверху вниз, а нижние углы являются угловым PN-переходом в нижней части базовой области P-типа в этих четырех угловых областях. В соответствии с одним новым аспектом время включения T _ON устройства BOD 20 является небольшим отчасти из-за увеличения минимального радиуса кривизны R (см. Фиг.10) базовой области P-типа. Минимальный радиус кривизны R — это радиус кривизны, показанный на фиг. 10. В одном примере минимальный радиус кривизны R по меньшей мере в два раза превышает глубину D 59 базового слоя 24 N- типа, и предпочтительно в четыре раза больше глубины D базового слоя 24 N- типа. . Область 58 , где начинается лавина, поэтому ближе к кольцу, чем к четырем отдельным точкам, как в предшествующем уровне техники.

Плавающее металлическое кольцо 31 также способствует равномерному срабатыванию лавинного пробоя.Опытным путем было обнаружено, что использование плавающего металлического кольца 31 снижает T _ON . Считается, что плавающее металлическое кольцо , 31, способствует более равномерному началу лавины за счет выравнивания того, что в противном случае могло бы быть локальными пиками электрического поля в полупроводниковом материале под кольцом.

В дополнение к облегчению быстрого включения за счет уменьшения срока службы носителей в базовом слое N-типа и в дополнение к облегчению быстрого включения за счет обеспечения равномерного и распределенного срабатывания лавины, быстрое включение дополнительно упрощается за счет уменьшения величины лавинного тока что вызывает включение транзистора NPN.Если носители заряда генерируются в области 58 на фиг. 15, то отверстия будут перемещаться из этой области вбок влево через базовую область 27 P-типа, проходя под кольцевой эмиттерной областью N + 28 , и в короткую область катода 29 и до металла катода. электрод 30 . Уменьшение ширины короткой области катода , 29, , что может привести к увеличению сопротивления пути тока в этой точке, как видно, снижает ток срабатывания, необходимый для достижения необходимого значения 0.Падение 7 вольт для включения транзистора NPN. В одном примере ширина короткой области катода составляет 0,125 миллиметра, а величина лавинного тока, необходимого для достижения включения (ток срабатывания), составляет около 10 миллиампер, а время включения составляет 0,3 микросекунды или меньше.

РИС. 16 представляет собой схему пластины 60, производимых устройств BOD, где изготовлены разные устройства BOD, чтобы иметь разные токи запуска из-за того, что устройства BOD имеют разную ширину короткой области катода.Устройства BOD на этом этапе производственного процесса полупроводников перед нарезкой пластины ориентированы рядами и столбцами на пластине. Верхняя часть 61 схемы фиг. 16 представляет собой увеличенный вид в разрезе первого устройства 62 BOD. Нижняя часть 63 схемы фиг. 16 — увеличенный вид в разрезе второго устройства 64 BOD. Ширина W 1 короткой области катода устройства с BOD 62 шире, чем ширина W 2 короткой области катода устройства с BOD 64 .Таким образом, из одной пластины можно получить устройства BOD, имеющие диапазон пусковых токов.

В дополнение к новому устройству BOD 20 по фиг. 7, имеющий малое время включения и малый ток срабатывания, конструкция устройства BOD 20, также приводит к уменьшенной изменчивости напряжения прямого переключения в зависимости от температуры и процесса. Обычно отклонение прямого напряжения отключения устройств BOD (которые в идеале должны иметь одинаковое напряжение отключения) от температуры составляет два процента на десять градусов Цельсия или более.Более того, одно устройство BOD, изготовленное с использованием определенной конструкции и технологии, может иметь прямое напряжение переключения, которое значительно отличается от напряжения прямого переключения другого устройства BOD, изготовленного на той же пластине с использованием той же конструкции и процесса. Это изменение напряжения прямого переключения нежелательно.

РИС. 17 — упрощенная диаграмма, которая иллюстрирует зависимость напряжения прямого отключения БПК от температуры. Линия , 65, показывает, как прямое напряжение переключения известного BOD-диода на фиг.4 изменяется примерно на два процента на десять градусов Цельсия изменения температуры. Линия , 66, показывает, как прямое напряжение отключения нового BOD-диода 20 на фиг. 7 изменений в зависимости от температуры. Преимущественно прямое напряжение переключения изменяется менее чем на один процент при изменении температуры на десять градусов Цельсия.

В обычном устройстве BOD, где слой 11 N- типа является толстым и где обедненная область расширяется вниз на большее расстояние, форма нижней части обедненной области не является идеально плоской.Вариации концентрации легирования слоя 11 типа N влияют на напряжение отключения, и типичными являются отклонения концентрации легирующей примеси на десять процентов. В новом устройстве BOD 20 по фиг. 7, с другой стороны, весь слой 24 N- типа обычно истощается перед разрывом. Нижняя поверхность слоя N-типа 24 достаточно плоская. Дальнейшее расширение области истощения распространяется на верх буферного слоя 23 N-типа, но этот буферный слой имеет гораздо более высокую концентрацию примеси N-типа, поэтому область истощения не распространяется далеко в буферный слой.Таким образом, нижняя часть области истощения является довольно плоской и однородной. По сравнению с трудностями в управлении концентрацией легирующей примеси N-типа в слое 11 N-типа структуры предшествующего уровня техники, легче контролировать толщину базового слоя 24 N- типа в устройстве BOD на фиг. 7. Благодаря улучшенной однородности и повторяемости роста обедненной области в устройствах, изготовленных с использованием конструкции, показанной на фиг. 7, прямые напряжения переключения устройств, изготовленных с использованием конструкции, показанной на фиг.7 более единообразны и повторяемы. Напряжение прямого переключения конкретного устройства BOD меньше зависит от изменений температуры, как показано на диаграмме на фиг. 17.

РИС. 18 — диаграмма, которая показывает характеристику V-I устройства 20 BOD по фиг. 17. В упрощенном объяснении, когда прямое напряжение (напряжение от клеммы T 2 к клемме T 1 ) увеличивается, ток остается очень близким к нулю, и устройство BOD находится в режиме прямой блокировки.При некотором высоком прямом напряжении начинает происходить лавинный пробой, но ток не равен току срабатывания. Когда напряжение достигает напряжения прямого переключения V _{(BO) F} , ток лавины достигает значения тока срабатывания, а затем происходит размыкание и включается устройство BOD. Поэтому напряжение на устройстве BOD быстро падает до низкого напряжения V _H . Когда устройство BOD включено, увеличение напряжения на устройстве BOD приводит к быстрому увеличению тока.Устройство BOD фактически короткое. Устройство BOD останется в этом режиме прямой проводимости, если ток, протекающий через устройство BOD, не упадет ниже удерживающего тока I _H . Устройство BOD не может хорошо переносить обратные напряжения, поэтому для отрицательных напряжений нет отношения напряжения к току.

РИС. 19 — схема цепи защиты от перенапряжения. Две такие цепи могут быть предусмотрены встречно-параллельным образом в виде лома для защиты части оборудования (не показано) от напряжений более положительных, чем +2000 В, и от напряжений более отрицательных, чем -2000 В.Что касается схемы защиты + 2000 В, если положительное напряжение между узлом 67 и узлом 68 становится достаточно большим, то большое положительное напряжение будет эффективно присутствовать на корпусе устройства BOD 40 . Когда напряжение достигает напряжения прямого переключения устройства BOD, устройство BOD размыкается и включается. Результирующий ток, который ограничен резистором 70 , затем течет от узла 67 , через резистор 70 , через обратный диод 71 , через корпусное устройство BOD 40 и в клемму затвора. G тиристора 69 .Этот ток затвора включает тиристор 69 . В результате пускового тока, протекающего в затвор тиристора 69 , тиристор 69 включается и проводит большой ток от узла 67 к узлу 68 , тем самым снижая напряжение между узлами 67 и 68 , тем самым защищая оборудование от перенапряжения. Устройство BOD не может выдерживать большие отрицательные напряжения (например, не может выдерживать отрицательное напряжение выше -20 В), поэтому предусмотрен обратный диод 71 , чтобы блокировать ток от протекания вверх через устройство BOD от клеммы PT 1 к PT 2 во время ситуаций с большим отрицательным напряжением.Кроме того, тиристор может быстро отключаться. Когда тиристор выключается, он может генерировать скачки напряжения (скачки напряжения между катодом тиристора и затвором тиристора). RC-цепь резистора 72 и конденсатора 73 представляет собой демпферную цепь. Демпферная цепь предназначена для смягчения эффекта самоиндуцированных всплесков напряжения и предотвращает попадание этих самоиндуцированных всплесков на устройство BOD и его повреждение. Как только что описано, схема, изображенная на фиг. 19 защищает оборудование от положительного напряжения свыше +2000 В.Также имеется аналогичная схема (не показана), предусмотренная в противоположном направлении между теми же двумя узлами 67 и 68 для защиты оборудования от напряжений, которые более отрицательны, чем -2000 В.

Изменение напряжения прямого отключения в зависимости от изменений температуры является серьезной проблемой, поскольку необходимо обеспечить запас в способности других частей схемы (например, тиристора) и защищаемого оборудования по учитывать изменения напряжения отключения устройства BOD.При повышении температуры оборудование и тиристор все еще должны выдерживать более высокое напряжение, которое может присутствовать (из-за увеличения напряжения отключения устройства BOD). Менее одного процента изменения напряжения прямого переключения на десять градусов Цельсия (см. Строку 66 на фиг.17) может привести к значительной экономии затрат в системе в целом по сравнению с двухпроцентным изменением напряжения прямого переключения на десять градусов Цельсия. объемного БПК предшествующего уровня техники на фиг. 4.

РИС.20 — таблица, которая показывает различные аспекты состава устройства BOD по фиг. 7.

РИС. 21 — таблица, которая показывает, как уменьшение ширины короткой области катода приводит к уменьшению пусковых токов.

РИС. 22 представляет собой вид в разрезе устройства BOD , 100, , имеющего сопоставимые напряжения прямого пробоя и обратные напряжения пробоя в соответствии с одним новым аспектом. Устройство BOD 100 имеет прямое напряжение пробоя +450 вольт и обратное напряжение пробоя -500 вольт.Напряжения сопоставимы в том смысле, что абсолютная величина обратного напряжения пробоя немного превышает прямое напряжение пробоя. Металлический анодный электрод , 101, расположен на нижней поверхности слоя полупроводникового материала подложки P-типа , 102, . Базовый слой , 103, N- типа из полупроводникового материала подложки расположен на слое подложки P-типа , 102, . Базовый слой N- типа может быть сформирован путем диффузии легирующих примесей N-типа вниз в материал подложки P-типа с верхней поверхности полупроводника.Базовый слой N- типа , 103, простирается до верхней полупроводниковой поверхности , 104, структуры кристалла. Нижняя полупроводниковая поверхность структуры кристалла обозначена номером ссылки 105 . В проиллюстрированном примере две поверхности , 104, и , 105, , по существу плоские.

Базовая область P-типа 106 простирается вниз в базовый слой N- типа 103 от верхней поверхности полупроводника 104 .Кольцевая эмиттерная область N + -типа , 107, простирается вниз в базовую область P-типа , 106, от верхней поверхности полупроводника , 104, , как показано. Область , 107, является кольцевой в том смысле, что она имеет форму кольца, если смотреть сверху вниз. Некоторое количество материала P-типа в основной области , 106, P-типа в центре кольца выходит вверх, так что материал P-типа достигает верхней поверхности 104 полупроводника. Это количество материала P-типа называется короткой областью катода 108 .Электрод с металлическим катодом , 109, расположен на верхней поверхности полупроводника , 104, , так что он контактирует с кольцевой эмиттерной областью типа N + 107 и с короткой областью катода 108 на верхней поверхности полупроводника 104 как показано. Необязательное плавающее металлическое кольцо , 110, расположено на верхней поверхности основной области P-типа , 106, , так что плавающее металлическое кольцо , 110, окружает металлический катодный электрод 109 , но не касается его.Эта структура верхней части БПК по фиг. 22 аналогична структуре верхней части БПК на фиг. 7, за исключением того, что в случае БПК по фиг. 22 предусмотрена периферийная изолирующая диффузионная область 111 Р-типа. Периферийная изолирующая диффузионная область 111 P-типа проходит от верхней поверхности полупроводника , 104, на всем протяжении всей структуры кристалла до нижней поверхности полупроводника 105 . Периферийная изолирующая диффузионная область P-типа достигает боковых краев матрицы, как показано.Периферийная изолирующая диффузионная область P-типа формируется путем имплантации и диффузии легирующих добавок P-типа в структуру с верхней поверхности полупроводника 104 , а также путем имплантации и диффузии легирующих примесей P-типа в структуру с нижней поверхности полупроводника 105 , так что две допированные области встречаются. Как и в случае БПК на фиг. 7 предусмотрены два защитных кольца типа P + 112 и 113 , а также предусмотрен ограничитель канала 114 типа N +.

РИС. 23 — вид сбоку упакованного устройства BOD , 115, . Матрица BOD типа, показанного на фиг. 22 заключен в пластмассовую часть корпуса 116 упаковки по фиг. 23. Анодный металлический электрод 101 матрицы BOD соединен с клеммой металлического корпуса PT 2 117 . Катодный металлический электрод 109 кристалла BOD соединен с клеммой металлического корпуса PT 1 118 .

РИС.24 — схематическая диаграмма упакованного устройства BOD , 115, на фиг. 23. Соединения , 119, и , 120, являются внутренними по отношению к корпусу. Устройство BOD представляет собой многослойное устройство NPNP, где верхний слой типа N представляет собой кольцевую эмиттерную область типа N +, где следующий слой типа P представляет собой базовую область типа P 106 , где следующий слой типа N является областью типа N- базовый слой 103 , и где последний слой P-типа является слоем подложки P-типа 102 .Матрица BOD , 100, фактически не включает в себя обратный диод, отдельный от диода BOD, а скорее символы на фиг. 24 указывают на функциональность устройства. Обратную функцию диода выполняет PN переход J 1 перехода между подложкой P-типа 102 и базовым слоем N- типа 103 .

РИС. 25 представляет собой схему сверху вниз штампа BOD 100 по фиг. 22. Как и в случае штампа BOD по фиг. 10, описанной выше, периферия базовой области 106 P-типа (если рассматривать с точки зрения сверху вниз) имеет минимальный радиус кривизны R, где R, по крайней мере, в два раза больше глубины D базового слоя N- 103 , и предпочтительно в четыре раза больше глубины D базового слоя N- типа 103 .

РИС. 26 представляет собой схему нижней поверхности пресс-формы BOD 100 по фиг. 22. Практически вся нижняя поверхность матрицы BOD покрыта металлом металлического анодного электрода 101 .

РИС. 27 является схемой поперечного сечения устройства BOD , 100, при обратном напряжении -300 вольт (анод находится на -300 вольт по отношению к катоду). Устройство BOD 100 успешно блокирует это обратное напряжение -300 В. Область истощения простирается от PN перехода J 1 до N-базового слоя 103 .Область обеднения также простирается от PN перехода J 1 в слой подложки P-типа , 102, и в изоляционную диффузионную область P-типа 111 . В то время как обратное напряжение пробоя устройства BOD по фиг. 19 составляет около -200 вольт, обратное напряжение пробоя устройства BOD по фиг. 22 составляет около -500 вольт. Абсолютная величина обратного напряжения пробоя (-500 вольт) выше, чем прямое напряжение пробоя (+450 вольт), потому что в прямом направлении смещения базовая область , 106, имеет цилиндрический переход.В прямом направлении смещения без защитных колец устройство вышло бы из строя при напряжении около +100 вольт. При добавлении защитных колец напряжение пробоя (-450 вольт) в направлении прямого смещения увеличивается примерно до 85% от напряжения пробоя массивного кремния. В обратном направлении цилиндрический стык отсутствует. Абсолютная величина обратного напряжения пробоя устройства BOD (-500 вольт) примерно такая же, как и напряжение объемного пробоя объемного кремния. Без области изоляции P-типа обратное напряжение пробоя было бы примерно от -50 до -100 вольт.

РИС. 28 представляет собой вид в разрезе устройства BOD , 100, при обратном напряжении -450 вольт. Устройство BOD 100 успешно блокирует обратное напряжение -450 В. Область истощения простирается от PN-перехода J 1 дальше в слой N-основы 103 и дальше в слой подложки P-типа , 102, и изоляционную диффузионную область P-типа 111 .

РИС. 29 представляет собой диаграмму формы сигнала, показывающую напряжение на корпусе устройства BOD , 115, на фиг.23, когда устройство BOD вставлено в испытательную схему по фиг. 12. Устройство BOD 115 на ФИГ. 23 имеет обратное напряжение пробоя около -500 вольт. Пунктирная линия 121 на фиг. 29 показано напряжение на устройстве BOD при испытании. Сплошная линия 122 показывает ток, протекающий через устройство BOD. Лавинный ток увеличивается до тех пор, пока величина лавинного тока не достигнет пускового тока при напряжении прямого отключения +450 В V _{(BO) F} .Напряжение прямого переключения V _{(BO) F} достигается за 0,1 микросекунды. Затем переключающий диод размыкается и начинает проводить ток. Напряжение на устройстве BOD падает, а ток увеличивается. Напряжение на устройстве BOD достигает нуля за 0,55 микросекунды. Время включения T _ON — это время от момента, когда лавинный ток достигнет тока срабатывания, до момента, когда напряжение на устройстве BOD упадет до нуля. Таким образом, время включения T _ON равно 0.45 микросекунд.

РИС. 30 — диаграмма, которая показывает характеристику V-I устройства BOD по фиг. 22. В упрощенном объяснении, когда прямое напряжение (напряжение от клеммы T 2 к клемме T 1 ) увеличивается, ток остается очень близким к нулю, и устройство BOD находится в режиме прямой блокировки. Когда напряжение достигает напряжения прямого переключения V _{(BO) F} , равного +450 вольт, происходит переключение и включается устройство BOD. Следовательно, напряжение на устройстве BOD быстро падает до низкого напряжения V _H .Когда устройство BOD включено, увеличение напряжения на устройстве BOD приводит к быстрому увеличению тока. Устройство BOD фактически короткое. Устройство BOD останется в этом режиме прямой проводимости, если ток, протекающий через устройство BOD, не упадет ниже удерживающего тока I _H .

В отличие от устройства BOD по фиг. 7 устройство BOD по фиг. 22 выдерживает обратное напряжение до -500 вольт. Если обратное напряжение превышает это значение -500 вольт, то устройство BOD подвергается пробою и течет обратный ток.Это «область обратной лавины», обозначенная на диаграмме. Напряжение обратного пробоя (также иногда называемое «обратным напряжением пробоя») устройства BOD составляет -500 вольт, что немного больше по абсолютной величине, чем прямое напряжение пробоя +450 вольт. Используя архитектуру устройства BOD по фиг. 22, обратное напряжение пробоя делается немного большим по абсолютной величине, чем прямое напряжение пробоя, а прямое напряжение пробоя может быть сделано в любом месте в диапазоне от + 200 В до более чем + 900 В.

РИС. 31 — таблица, которая показывает состав различных частей устройства BOD по фиг. 22. В этом примере, как показано на графике фиг. 30 устройство BOD 100 на ФИГ. 22 имеет прямое напряжение пробоя +450 вольт и обратное напряжение пробоя -500 вольт.

РИС. 32 — вид сбоку пакетной схемы защиты от перенапряжения , 123, в соответствии с другим вариантом осуществления. Упакованное устройство 123 включает в себя часть корпуса 124 , терминал упаковки PT 2 125 и терминал упаковки PT 1 126 .Множество игральных костей BOD типа, показанного на фиг. 22 вместе с другими компонентами заключены в корпусную часть , 124, .

РИС. 33 — принципиальная схема устройства 136 . Устройство и схема 136 включает в себя упакованное устройство 123 на ФИГ. 32 в сочетании с тиристором 127 . Устройство и схема , 136, включает в себя токоограничивающий резистор 128 , устройство в корпусе 123 и демпферную RC-цепь 129 , 130 .Работа схемы по фиг. 33 аналогична работе схемы на фиг. 19, описанный выше. Пакетная схема защиты от перенапряжения 123 функционирует аналогично одиночному устройству BOD, которое имеет прямое напряжение пробоя +8000 вольт и обратное напряжение пробоя -10 000 вольт. Содержимое упакованного устройства 123 показано пунктирной линией 123 . Внутри упакованного устройства 123 имеется четыре идентичных кубика 131 — 134 типа, показанного на фиг.22, причем эти кристаллы соединены последовательно между клеммой корпуса PT 2 и клеммой корпуса PT 1 . Если прямое падение напряжения между PT 2 и PT 1 достигает напряжения прямого отключения +8000 вольт, то устройства BOD подвергаются размыканию, и ток размыкания протекает через устройства BOD на пути тока 135 от PT 2 к PT 1 . Но для небольшого тока утечки, который протекает через цепочку резисторов 136 — 139 , устройство в корпусе 123 блокирует практически весь ток для положительных напряжений между PT 2 и PT 1 , если прямое напряжение не достигает или превышает +8000 вольт.Пусковой ток устройства BOD может, например, составлять 10 мА, и этот ток протекает только при высоких прямых напряжениях, приближающихся к V _{(BO) F} . В обратном направлении каждое из устройств BOD может выдерживать обратное напряжение -500 вольт до выхода из строя. Соответственно, за исключением небольшого тока утечки, который протекает через цепочку резисторов 136 — 139 , и небольшого пускового тока, устройство в корпусе 123 блокирует прохождение тока для отрицательных напряжений между PT 2 и PT 1 если отрицательное напряжение не достигает -10 000 вольт или превышает его.Сопротивления резисторов сделаны большими, так что ток, протекающий через цепочку резисторов, несущественен.

В процессе работы, если напряжение между узлом 140 и 141 достигает +8000 вольт, то устройства BOD в корпусном устройстве 123 подвергаются размыканию, и ток течет от PT 2 к PT 1 и этот ток подается на затвор тиристора 127 , тем самым включая тиристор. Как следствие включения тиристора, тиристор проводит большой ток от узла 140 к узлу 141 через тиристор, и этот большой ток снижает напряжение между узлами , 140, и , 141, до напряжения ниже +8000 вольт.Оборудование , 142, , которое не должно испытывать напряжения, превышающие +8000 вольт, подключено через узлы , 140, и , 141, , так что схема на фиг. 33 предотвратит превышение напряжения между этими узлами +8000 вольт. Как объяснено выше в связи с фиг. 19, резистор 128 имеет функцию ограничения тока, ограничивая величину пускового тока, посылаемого на затвор тиристора. Демпфер 129 , 130 защищает устройства BOD от потенциально опасных скачков напряжения, которые сам тиристор генерирует между затвором и катодом тиристора.Тиристор может генерировать такие всплески при быстром включении и / или выключении. Благодаря способности каждого устройства BOD блокировать обратное напряжение -500 вольт, схема на фиг. 33 не включает в себя дорогостоящий обратный диод, такой как обратный диод 71 на фиг. 19. Как объяснено выше в связи с фиг. 19 обычно имеется другая схема, идентичная схеме на фиг. 33, где эта другая схема антипараллельно подключена к узлам , 140, и , 141, . Первая схема предназначена для предотвращения появления положительных напряжений более положительных, чем +8000 вольт между узлами , 140, и , 141 , тогда как вторая схема предназначена для предотвращения появления отрицательных напряжений более отрицательных, чем -8000 вольт между узлами , 140, и . 141 .Защищаемое оборудование 142 в этом случае не должно видеть напряжения, абсолютные значения которых превышают 8000 вольт. Хотя показан вариант осуществления, в котором резистор подключен параллельно к каждому отдельному устройству BOD, некоторые устройства BOD могут не иметь такого подключенного параллельно резистора в некоторых вариантах осуществления. Хотя показан вариант осуществления, в котором все устройства BOD идентичны, в других вариантах осуществления устройства BOD, которые имеют разные напряжения прямого отключения, предусмотрены в одной и той же пакетной схеме защиты от перенапряжения для обеспечения желаемого другого общего напряжения прямого отключения и желаемого другого общего обратного пробоя. напряжение всей комплектной схемы защиты от перенапряжения.

Хотя некоторые конкретные варианты осуществления описаны выше в учебных целях, идеи этого патентного документа имеют общую применимость и не ограничиваются конкретными вариантами осуществления, описанными выше. Соответственно, различные модификации, адаптации и комбинации различных признаков описанных вариантов осуществления могут быть осуществлены на практике без выхода за пределы объема изобретения, изложенного в формуле изобретения.

[PDF] Лекция — д-р Имтиаз Хуссейн

Скачать лекцию — Dr.Имтиаз Хуссейн …

ТИРИСТОР • Тиристор, трехполюсный, четырехслойный твердотельный полупроводниковый прибор, каждый слой которого состоит из материала попеременно N-типа или P-типа, т.е. P-N-P-N, который может выдерживать высокие токи и высокое напряжение, с лучшей скоростью переключения и улучшенным напряжением пробоя. • Название «тиристор» образовано из заглавных букв слов THYRatron и транзистор. K

A G

ТИРИСТОРЫ • Тиристор выдерживает высокие токи и высокое напряжение.• Типичные номинальные значения составляют 1,5 кА и 10 кВ, что соответствует допустимой мощности 15 МВт.

• Этой мощностью можно управлять только током затвора около 1А. • Тиристоры действуют как бистабильные переключатели. — Он проводит, когда затвор получает импульс тока, и продолжает проводить до тех пор, пока он смещен в прямом направлении (до тех пор, пока напряжение устройства не изменится на противоположное). — Они остаются включенными после срабатывания триггера и выключаются только при слишком низком токе или при срабатывании триггера.

Тиристор Двухтранзисторная модель

Тиристор Рабочие режимы Тиристоры имеют три режима:

• Режим прямой блокировки: протекает только ток утечки, поэтому тиристор не проводит ток.• Режим прямой проводимости: через тиристор протекает большой прямой ток. • Режим обратной блокировки: когда напряжение на катоде увеличивается до напряжения обратного пробоя, происходит лавинный пробой и протекает большой ток.

Однофазный полноволновой управляемый выпрямитель

Однофазный полноволновой управляемый выпрямитель

Однофазный полноволновой управляемый выпрямитель

Однофазный полноволновой управляемый выпрямитель

Трехфазный управляемый выпрямитель

Методы включения тиристора •

Включение тиристора также называется запуском.

•

Если анод положителен по отношению к катоду, тиристор может быть включен любым из следующих способов: — — — — —

Запуск по прямому напряжению Срабатывание затвора Запуск dv / dt Запуск по температуре Срабатывание светового сигнала

Запуск по прямому напряжению • Когда напряжение отключения (VBO) на тиристоре превышает номинальное максимальное напряжение устройства, тиристор включается. • При напряжении отключения величина анодного тока тиристора называется током фиксации (IL).• Запуск по напряжению переключения обычно не используется в качестве метода запуска, и в большинстве схемотехнических схем делается попытка избежать его возникновения. • Когда тиристор срабатывает при превышении VBO, время спада прямого напряжения довольно низкое (примерно 1/20 времени, затрачиваемого при срабатывании затвора).

Запуск по затвору • Включение тиристоров с помощью запуска по затвору — простой и эффективный метод срабатывания тиристоров с прямым смещением. • При срабатывании затвора выбирается тиристор с напряжением прямого отключения (VBO), превышающим нормальное рабочее напряжение.• Когда требуется включение тиристора, прикладывается положительное напряжение затвора ч / б затвора и катода. • Прямое напряжение, при котором устройство переключается во включенное состояние, зависит от величины тока затвора. — Чем выше ток затвора, тем ниже напряжение прямого отключения.

Запуск dv / dt • При прямом напряжении на аноде и катоде тиристора два внешних перехода (A и C) смещены в прямом направлении, а внутренний переход (J2) смещен в обратном направлении. • Обратно смещенный переход J2 ведет себя как конденсатор из-за присутствующего там пространственного заряда.• Поскольку p-n переход имеет емкость, поэтому чем больше площадь перехода, тем больше емкость. • Если на анод-катод подается линейное изменение напряжения, в устройстве будет протекать ток для зарядки емкости устройства в соответствии со следующим соотношением: • Если зарядный ток становится достаточно большим, плотность движущихся носителей тока в устройстве вызывает включить. • Этот метод запуска нежелателен, поскольку высокий зарядный ток (Ic) может повредить тиристор.

Срабатывание по температуре • Во время блокировки в прямом направлении большая часть приложенного напряжения появляется на переходе J2 с обратным смещением.• Это напряжение на переходе J2, связанное с током утечки, может повысить температуру этого перехода. • С повышением температуры ток утечки через переход J2 еще больше увеличивается. • Этот совокупный процесс может привести к включению SCR при высокой температуре. • Срабатывание по высокой температуре может привести к тепловому выходу из-под контроля, и его обычно избегают.

Запуск света • В этом методе световые частицы (фотоны) сталкиваются с обратным смещенным переходом, что вызывает увеличение количества пар дырочных электронов и срабатывание тиристора.• Для световых триггеров SCR во внутреннем p-слое сделана прорезь (ниша). • При облучении свободные носители заряда генерируются точно так же, как при подаче стробирующего сигнала ч / б затвор и катод. • Импульсный свет соответствующей длины волны направляется оптическими волокнами для облучения. • Если интенсивность этого света, падающего на углубление, превышает определенное значение, включается SCR с прямым смещением. Такой тиристор известен как светоактивированный тиристор (LASCR). • Тиристоры с управляемым светом в основном используются в системах передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC).

Методы управления тиристорным затвором • Простой способ включить тиристор в режим проводимости — подать на затвор правильный положительный сигнал. • Этот сигнал должен подаваться, когда тиристор смещен в прямом направлении, и должен быть отключен после включения устройства. • Время включения тиристора должно быть в диапазоне 1-4 микросекунды, а время выключения должно быть в пределах 8-50 микросекунд. • Сигнал затвора тиристора может быть трех разновидностей. — Сигнал затвора постоянного тока — Сигнал затвора переменного тока — Импульс

Методы управления затвором тиристора D.C Сигнал затвора: Применение сигнала затвора постоянного тока вызывает прохождение тока затвора, которое запускает SCR. — Недостатком является то, что стробирующий сигнал должен применяться постоянно, что приводит к потере мощности. — Цепь управления затвором также не изолирована от основной цепи питания. Сигнал затвора переменного тока: в этом методе напряжение переменного тока со сдвигом фазы, получаемое от сети, обеспечивает сигнал затвора. — Момент срабатывания можно контролировать с помощью регулировки фазового угла стробирующего сигнала. Импульс: здесь SCR запускается приложением положительного импульса правильной величины.- Для тиристоров важно включаться в нужные моменты в определенной последовательности. — Это может быть сделано последовательностью высокочастотных импульсов в нужные моменты времени через логическую схему. — Импульсный трансформатор используется для изоляции цепи. — Здесь потери ворот очень низкие, потому что привод прерывистый.

Цепи управления затвором

Цепи управления затвором

Коммутация тиристора • Коммутация: Процесс выключения проводящего тиристора — Коммутация тока — Коммутация напряжения • Тиристор можно включить, подав положительное напряжение около вольт или ток несколько десятков миллиампер на клеммах затвор-катод.• Но SCR не может быть выключен через клемму затвора. • Он отключится только после сброса анодного тока естественным путем или с использованием методов принудительной коммутации. • Эти методы выключения не относятся к тем случаям, когда анодный ток постепенно снижается ниже уровня удерживаемого тока вручную или посредством медленного процесса. • После включения тиристора он остается включенным даже после удаления стробирующего сигнала, пока поддерживается минимальный ток, ток удержания (IH), в основной цепи или цепи выпрямителя.

Тиристорный механизм отключения • Во всех практических случаях через устройство протекает отрицательный ток. • Этот ток возвращается к нулю только после времени обратного восстановления (trr), когда говорят, что SCR восстановил свою способность обратной блокировки. • Устройство может блокировать прямое напряжение только по истечении следующего tfr, времени прямого восстановления. • Следовательно, SCR должен продолжать иметь обратное смещение в течение минимум tfr + trr = tq, номинального времени выключения устройства. • Таким образом, внешняя цепь должна смещать тиристор в обратном направлении в течение времени toff> tq.• Впоследствии повторно приложенное прямое напряжение смещения должно возрасти до dv / dt.

Классификация коммутации тиристоров • Коммутацию можно классифицировать как — Естественную коммутацию — Принудительную коммутацию

Коммутация линии (естественная коммутация) • Происходит только в цепях переменного тока. • Естественная коммутация тиристора происходит в — Регуляторах переменного напряжения — Выпрямителях с фазным управлением — Циклоконверторах

Отключение тиристора: Тиристорная цепь с линейной коммутацией

Принудительная коммутация • Применяется к d.c цепями. • Если в цепи постоянного тока используется тиристор, при первом включении он будет оставаться включенным до тех пор, пока ток не упадет до нуля. Для отключения тиристора можно использовать схему принудительной коммутации. Схема создает обратное напряжение на тиристоре (и небольшой обратный ток) на короткое время, но достаточно долго, чтобы выключить тиристор. • Простая схема состоит из предварительно заряженного конденсатора и переключателя (например, другого тиристора), параллельного тиристору. Когда переключатель замкнут, ток на короткое время подается конденсатором.Это вызывает обратное напряжение на тиристоре, и тиристор выключается. • Коммутация достигается обратным смещением тиристора или уменьшением тока тиристора ниже значения тока удержания. • Коммутирующие элементы, такие как индуктор, конденсаторы, используются для коммутации. • Принудительная коммутация применяется к прерывателям и инверторам. • Методы принудительной коммутации — Класс A — Резонансная нагрузка — Класс B — Самокоммутация — Класс C — Вспомогательная коммутация — Класс D — Бесплатная коммутация — Класс E — Внешняя импульсная коммутация

Отключение тиристора: Тиристорная цепь с принудительной коммутацией

Тиристор Члены семейства • • • • • • • • • • • • • •

SCR: кремниевый выпрямитель DIAC: диод на переменном токе TRIAC: триод для переменного тока SCS: кремниевый управляющий переключатель SUS: кремниевый односторонний переключатель SBS: кремниевый двунаправленный переключатель SIS: кремниевый индукционный переключатель LASCS: кремниевый управляющий переключатель, активируемый светом LASCR: кремниевый управляющий выпрямитель, активируемый светом SITh: тиристор статической индукции RCT: тиристор с обратной проводимостью GTO: тиристор выключения затвора MCT: тиристор, управляемый MOSFET, ETOs: тиристор включения эмиттера

-Контролируемый выпрямитель (SCR) • SCR — это синоним тиристора • SCR — это четырехслойное устройство pnpn.- Имеет 3 вывода: анод, катод и затвор. — В выключенном состоянии имеет очень высокое сопротивление. — Во включенном состоянии есть небольшое прямое сопротивление. • Применения: управление двигателем, схемы задержки времени, управление нагревателем, управление фазой и т. Д.

Метод включения SCR –ON и его характеристики • •

Положительный импульс тока на затворе включает Q2, обеспечивая путь для IB1 . Затем Q1 включается, обеспечивая больший базовый ток для Q2 даже после снятия триггера. — Таким образом, устройство остается включенным (фиксируется).







SCR может быть включен путем превышения напряжения прямого переключения или тока затвора. Обратите внимание, что ток затвора контролирует величину напряжения прямого переключения, необходимого для его включения. VBR (F) уменьшается по мере увеличения IG.

Выключение SCR • SCR будет работать, пока прямой ток превышает IH. • Есть два способа вывести тиристор из состояния проводимости: — Прерывание анодного тока — Принудительная коммутация.

Выключение SCR: прерывание анодного тока • Анодный ток можно прервать, прервав путь анодного тока, создав путь вокруг SCR или снизив анодное напряжение до такой степени, что IA

Выключение SCR: принудительная коммутация • Сила Коммутация использует внешнюю цепь, чтобы мгновенно заставить ток в направлении, противоположном прямой проводимости.• SCR обычно используются в цепях переменного тока, что вынуждает SCR терять проводимость, когда переменный ток меняется на противоположное.

Характеристики и номиналы SCR • • • • •

Напряжение прямого переключения, VBR (F): напряжение, при котором SCR входит в область прямой проводимости (ON). Ток удержания, IH: значение анодного тока для SCR, в котором он должен оставаться. Ток срабатывания затвора, IGT: значение тока затвора для включения SCR. Средний прямой ток, IF (avg): максимальный непрерывный анодный ток (dc), который может выдержать SCR.Напряжение обратного пробоя, VBR (R): максимальное обратное напряжение до лавинообразного разрушения тринистора.

SCR Приложения — управление двигателем постоянного тока • SCR используются в различных приложениях управления мощностью. • Одним из наиболее распространенных применений является его использование в цепях переменного тока для управления двигателем или устройством постоянного тока, поскольку тиристор может как выпрямлять, так и управлять. • SCR срабатывает при положительном цикле и выключается при отрицательном цикле. • Подобная схема полезна для управления скоростью вентиляторов или электроинструментов и других связанных приложений.

SCR Применения — схемы с ломом • Еще ​​одно применение SCR — в схемах с ломом (которые получили свое название от идеи поднести лом к ​​источнику напряжения и замкнуть его!) • Назначение схемы с ломом — отключить источник питания в случае перенапряжения. • После срабатывания SCR фиксируется. • SCR может выдерживать большой ток, который вызывает размыкание предохранителя (или автоматического выключателя).

DIAC (диод для переменного тока) • • • •

•

• • • •

DIAC — это пятислойный триггерный диод устройства, который проводит ток только после кратковременного превышения его напряжения пробоя.Когда это происходит, сопротивление диода резко уменьшается, что приводит к резкому уменьшению падения напряжения на диоде и, как правило, к резкому увеличению тока, протекающего через диод. Диод остается «в проводимости» до тех пор, пока ток, протекающий через него, не упадет ниже значения, характерного для устройства, называемого током удержания. Ниже этого значения диод возвращается в высокоомное (непроводящее) состояние. Это двунаправленное поведение, то есть обычно одинаковое для обоих направлений тока.- их выводы помечены не как анод и катод, а как A1 и A2 или MT1 («Главный вывод») и MT2. Большинство DIAC имеют напряжение пробоя около 30 В. DIAC не имеют электрода затвора, в отличие от некоторых других тиристоров, которые они обычно используются для запуска, например, TRIAC. diac обычно используется в цепях переменного тока. Недостатком diac является то, что он не может быть запущен в любой момент цикла питания переменного тока; он срабатывает только при заданном напряжении отключения. Если бы мы могли добавить вентиль в диак, мы могли бы иметь переменный контроль точки срабатывания и, следовательно, большую степень контроля над тем, сколько мощности будет подаваться на устройство с питанием от сети.

DIAC (диод для переменного тока)

TRIAC (Триод для переменного тока) •

Triac — это пятислойное устройство, которое может пропускать ток в двух направлениях и поэтому ведет себя как переменный ток. устройство контроля мощности.

•

В симисторе основные подключения просто называются основной клеммой 1 (MT1) и основной клеммой 2 (MT2). Обозначение ворот по-прежнему применяется и используется так же, как и с SCR. Полезная особенность симистора заключается в том, что он не только пропускает ток в любом направлении, но и запускающий импульс затвора может иметь любую полярность, независимо от полярности основного приложенного напряжения.Затвор может вводить свободные электроны или дырки в корпус симистора, чтобы вызвать проводимость в любом случае.

• • •

—

• •

•

Итак, симистор называют «четырехквадрантным» устройством.

Симистор используется в среде переменного тока, поэтому он всегда отключается, когда приложенное напряжение достигает нуля в конце текущего полупериода. Если мы применяем импульс включения в некоторой контролируемой точке после начала каждого полупериода, мы можем напрямую контролировать, какой процент этого полупериода применяется к нагрузке, которая обычно подключается последовательно с MT2.Это делает симистор идеальным кандидатом для управления светорегулятором и регулятором скорости двигателя. Это обычное применение симисторов.

Работа симистора • Симистор можно рассматривать как два тиристора, соединенных встречно параллельно, как показано на рис. • Клемма с одним затвором является общей для обоих тиристоров. • Основные клеммы MT1 и MT2 подключены как к p, так и к n областям устройства, и путь тока через слои устройства зависит от полярности приложенного напряжения между основными клеммами.• Полярность устройства обычно описывается со ссылкой на MT1, где термин MT2 + означает, что клемма MT2 положительна по отношению к клемме MT1.

Тиристор выключения затвора (GTO)

Схематическое изображение GTO

Чтобы загрузить эту лекцию, посетите http://imtiazhussainkalwar.weebly.com/

КОНЕЦ ЛЕКЦИЙ-13-14

Методы включения SCR | Срабатывание SCR (напряжение, температура, затвор)

В этом руководстве мы узнаем о методах включения SCR.Существует несколько методов включения SCR в зависимости от различных факторов, таких как напряжение, температура и т. Д. Мы увидим некоторые из наиболее часто используемых методов для включения SCR.

Введение

Прежде чем рассматривать различные способы включения SCR, то есть различные методы включения SCR, давайте кратко рассмотрим некоторые важные основы кремниевого управляемого выпрямителя или просто известного как SCR. SCR, который является важным членом семейства тиристоров, представляет собой полупроводниковое устройство с четырьмя слоями, тремя переходами и тремя выводами.На следующем изображении показаны структура и символ типичного SCR.

состоит из четырех чередующихся слоев полупроводникового материала p-типа и n-типа. Внешняя область «p» соединена с анодом (A), а внешняя область «n» соединена с катодом (K). Внутренняя область «p» соединена с третьим терминалом, называемым воротами (G).

SCR — это, по сути, коммутатор. В отличие от транзистора, который может действовать как переключатель, но также и как усилитель, SCR — это только переключатель, который либо включен, либо выключен.SCR имеет два стабильных состояния, а именно состояние прямой блокировки и состояние прямой проводимости. Есть и другие состояния, но эти два важны, поэтому мы сосредоточимся только на этих двух состояниях.

Переключение SCR из состояния прямой блокировки (OFF — состояние) в состояние прямой проводимости (ON — состояние) известно как процесс включения SCR. Это также называется запуском.

Критерии срабатывания SCR зависят от нескольких переменных, таких как напряжение питания, ток затвора, температура и т. Д.Существуют различные методы запуска SCR, чтобы он перешел в состояние ON. Давайте кратко обсудим некоторые методы включения SCR.

Методы включения SCR (запуск SCR)

Давайте возьмем для справки приведенное выше изображение со структурой SCR. Если анод (внешняя область «p») сделан положительным по отношению к катоду (внешняя область «n»), переходы J ₁ и J ₃ становятся смещенными в прямом направлении, а переход J ₂ становится смещенным в обратном направлении.

В результате ток через устройство не протекает, за исключением небольшой величины тока утечки. Таким образом, даже несмотря на то, что SCR смещен в прямом направлении, ток по-прежнему отсутствует, и, следовательно, это состояние известно как состояние прямой блокировки (состояние выключения).

ПРИМЕЧАНИЕ: Существует еще одно состояние, известное как состояние обратной блокировки, при котором SCR имеет обратное смещение. Характеристики в этом состоянии аналогичны характеристикам обычного диода. Давайте теперь сосредоточимся на переводе SCR из состояния прямой блокировки в состояние прямой проводимости путем «включения SCR».

SCR можно заставить проводить или переключать из состояния блокировки (непроводящее или выключенное) в состояние проводимости (ВКЛ) любым из следующих способов.

1. Запуск по прямому напряжению
2. Срабатывание по температуре
3. дв / дт срабатывание
4. Легкое срабатывание
5. Запуск ворот

Запуск по прямому напряжению

В методе запуска по прямому напряжению тиристор смещен в прямом направлении, т. Е. Анод более положительный, чем катод, но это напряжение значительно увеличивается.Терминал ворот остается открытым.

По мере увеличения напряжения ширина обедненного слоя перехода J ₂ увеличивается, что, в свою очередь, увеличивает ускоряющее напряжение неосновных носителей заряда на этом переходе. При определенном напряжении произойдет лавинный пробой на внутреннем переходе J ₂ в результате столкновения неосновных носителей заряда с атомами и высвобождения еще большего количества неосновных носителей заряда.

Это напряжение известно как прямое напряжение переключения V _BO .При этом напряжении переход J ₂ становится смещенным в прямом направлении, и тиристор переходит в состояние проводимости. Через SCR протекает большой ток (от анода к катоду, который ограничен сопротивлением нагрузки) с очень низким падением напряжения на нем.

В состоянии включения прямое падение напряжения на тиристоре находится в диапазоне от 1 до 1,5 В, и оно может увеличиваться с увеличением тока нагрузки.

На практике этот метод не используется, потому что он требует очень большого напряжения между анодом и катодом.А также, когда напряжение превышает V _BO , SCR включается, и через него мгновенно протекает очень высокий ток, который может вызвать повреждение SCR. Поэтому в большинстве случаев этого типа срабатывания избегают.

Срабатывание по температуре

Этот тип запуска также известен как тепловой запуск, поскольку тиристор включается путем его нагрева. Ток обратной утечки зависит от температуры. Если температура повышается до определенного значения, количество пар отверстий также увеличивается.Это приводит к увеличению тока утечки и дополнительно увеличивает коэффициент усиления по току SCR. Это запускает регенеративное действие внутри SCR, поскольку значение (α1 + α2) приближается к единице (по мере увеличения усиления по току).

При повышении температуры на переходе J ₂ ширина обедненного слоя уменьшается. Итак, когда напряжение прямого смещения близко к V _BO , мы можем включить тиристор, увеличив температуру перехода (J ₂ ). При определенной температуре обратное смещение перехода выходит из строя, и устройство начинает проводить.

Это срабатывание происходит при некоторых обстоятельствах, в частности, когда температура устройства выше (также называется ложным срабатыванием). Этот тип срабатывания практически не используется, поскольку он вызывает тепловой пробой и, следовательно, может быть повреждено устройство или тринистор.

дв / дт срабатывание

В состоянии прямой блокировки, т.е. анод более положительный, чем катод, переходы J ₁ и J ₃ смещены в прямом направлении, а переход J ₂ смещен в обратном направлении.Таким образом, переход J ₂ ведет себя как конденсатор (J ₁ и J ₃ как проводящие пластины с диэлектриком J ₂ ) из-за пространственных зарядов в области обеднения.

Зарядный ток конденсатора определяется как:

I _C = dQ / dt

= d (C _j v) / dt

Используя товарное правило дифференциации, получаем

= C _j dv / dt + v dC _j / dt

Поскольку емкость перехода всегда почти постоянна, мы можем игнорировать скорость изменения емкости перехода dC _j / dt.Итак, окончательный ток зарядки:

I _C = C _j dv / dt

где, I _C — ток заряда

C _j — емкость перехода

Q — это заряд

В — напряжение, приложенное к устройству

dC _j / dt — скорость изменения емкости перехода

dv / dt — скорость изменения приложенного напряжения

Из приведенного выше уравнения, если скорость изменения приложенного напряжения велика (т.е.е., он применяется внезапно), тогда поток зарядного тока увеличится, что приведет к включению SCR без какого-либо напряжения на затворе.

Понятно, что мы можем включить тиристор, просто увеличив скорость изменения напряжения на устройстве, а не прикладывая большое напряжение прямого смещения (как мы это делали в предыдущем случае). Однако этого метода также практически избегают, потому что он может вызвать процесс ложного включения, а также может вызвать очень высокие всплески напряжения на тиристоре, что приведет к его значительному повреждению.

Легкое срабатывание

SCR, включаемый световым излучением, также называется SCR, активируемым светом (LASCR). Следовательно, срабатывание по свету также известно как срабатывание по излучению. Обычно этот тип запуска используется в преобразователях с фазовым управлением в системах передачи HVDC.

В этом методе световые лучи соответствующей длины волны и интенсивности могут попадать на переход J ₂ . Бомбардированные энергетическими частицами света (нейтроны или фотоны) приводят к разрыву электронных связей, в результате чего в устройстве образуются новые электронно-дырочные пары.

По мере увеличения количества носителей заряда происходит мгновенное увеличение тока, в результате чего тиристор включается.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для успешного включения SCR с помощью светового излучения скорость изменения приложенного напряжения (dv / dt) должна быть высокой.

Запуск ворот

Это наиболее распространенный и эффективный метод включения тиристора. Когда SCR смещен в прямом направлении, достаточное положительное напряжение на выводе затвора вводит некоторое количество электронов в переход J ₂ .Это приводит к увеличению тока обратной утечки и, следовательно, пробой перехода J ₂ происходит даже при напряжении ниже V _BO .

В зависимости от размера SCR, ток затвора варьируется от нескольких миллиампер до 250 миллиампер и более. Если приложенный ток затвора больше, то в переход J ₂ вводится больше электронов, что приводит к переходу в состояние проводимости при гораздо более низком приложенном напряжении.

В методе запуска затвора положительное напряжение, приложенное между затвором и катодными выводами.Мы можем использовать три типа сигналов затвора для включения SCR. Это сигнал постоянного тока, сигнал переменного тока и импульсный сигнал.

Запуск затвора постоянного тока

При таком запуске между выводами затвора и катода прикладывается достаточное напряжение постоянного тока, так что затвор становится положительным по отношению к катоду. Ток затвора переводит SCR в режим проводимости.

В этом методе на затвор подается непрерывный стробирующий сигнал (постоянное напряжение), что приводит к внутреннему рассеянию мощности (или увеличению потерь мощности).Еще один важный недостаток — отсутствие изоляции между цепями питания и управления (поскольку они оба являются постоянным током).

Запуск по переменному току

Это наиболее часто используемый метод включения SCR, особенно в приложениях переменного тока. При надлежащей развязке между цепями питания и управления (с использованием трансформаторов) тиристор срабатывает от напряжения переменного тока со сдвигом фаз, поступающего от основного источника питания. Угол включения регулируется путем изменения фазового угла стробирующего сигнала.

Однако только одна половина цикла доступна для привода затвора для управления углом зажигания, а в течение следующей половины цикла между затвором и катодом прикладывается обратное напряжение.Это одно из ограничений запуска по переменному току, а другое — необходимость в отдельном понижающем или импульсном трансформаторе для подачи напряжения на привод затвора от основного источника питания.

Импульсный запуск

Самый популярный метод запуска SCR — это импульсный запуск. В этом методе на затвор подается одиночный импульс или последовательность высокочастотных импульсов.

Основным преимуществом этого метода является то, что управление затвором является прерывистым или не требует непрерывных импульсов для поворота SCR, и, следовательно, потери затвора уменьшаются в большей степени за счет применения одиночных или периодически появляющихся импульсов.Для изоляции привода затвора от сети используется импульсный трансформатор.

Характеристики переключения динамического включения SCR

Динамические процессы SCR включают процессы включения и выключения, в которых и напряжение, и токи SCR изменяются со временем. Переход из одного состояния в другое занимает конечное время, но не происходит мгновенно.

Статические или VI характеристики SCR не указывают на скорость, с которой SCR переключился в режим прямой проводимости из режима прямой блокировки.Следовательно, динамические характеристики иногда более важны, что дает характеристики переключения SCR.

Будет конечное время перехода, которое требуется SCR для перехода в режим прямой проводимости из режима блокировки, которое называется временем включения (t _ON ) SCR. Время включения SCR Ton можно разделить на три отдельных интервала, а именно время задержки t _d , время нарастания t _r и время расширения t _s .

Время задержки (t

Время задержки измеряется с момента, когда ток затвора достигает 90 процентов от своего конечного значения, до момента, когда анодный ток достигает 10 процентов от своего конечного значения.Его также можно определить как время, необходимое для того, чтобы анодное напряжение упало с начального значения анодного напряжения V _a до 0,9 В _a .

Рассмотрите рисунок ниже и обратите внимание, что до момента времени td тиристор находится в режиме прямой блокировки, поэтому анодный ток представляет собой небольшой ток утечки. При подаче стробирующего сигнала (при 90 процентах от I _g ) ток затвора достигает 0,1 I _a , а также, соответственно, напряжение между анодом и катодом падает до 0,9 В _a .

При подаче стробирующего сигнала будет неравномерное распределение тока по поверхности катода, поэтому плотность тока на выводе затвора будет намного выше. И он быстро уменьшается по мере удаления от ворот. Следовательно, время задержки t _d — это время, в течение которого анодный ток протекает в узкой области, где плотность тока (ток затвора) наиболее высока.

Время нарастания (t

Это время, необходимое анодному току для повышения с 10 до 90 процентов от его конечного значения.Также определяется как время, необходимое для падения напряжения прямой блокировки с 0,9 В _a до 0,1 В _a . Это время нарастания обратно пропорционально току затвора и скорости его нарастания.

Следовательно, если на затвор подаются сильные и крутые импульсы тока, это может значительно сократить время нарастания t _r . Кроме того, если нагрузка индуктивная, время нарастания будет больше, а для резистивных и емкостных нагрузок оно будет низким.

В это время потери при включении в SCR высоки из-за большого анодного тока и высокого анодного напряжения.Это может привести к образованию локальных горячих точек и, следовательно, к повреждению SCR.

Время распространения (т

Это время, необходимое для того, чтобы прямое напряжение блокировки упало с 0,1 В _a до падения напряжения во включенном состоянии, которое находится в диапазоне от 1 до 1,5 вольт. За это время анодный ток распространяется по всей проводящей области ОПЗ из узкой проводящей области. По истечении времени расширения через устройство протекает полный анодный ток с небольшим падением напряжения в открытом состоянии.

Следовательно, общее время включения t _ON составляет:

t _ВКЛ = t _r + t _d + t _с

Типичное значение времени включения составляет от 1 до 4 микросекунд, в зависимости от формы волны стробирующего сигнала и параметров анодной цепи. Чтобы уменьшить время включения SCR, амплитуда импульса затвора должна быть в 3-5 раз больше минимального тока затвора SCR.

Цепи запуска SCR

Как мы видели выше, из различных методов запуска для включения SCR запуск по стробу является наиболее эффективным и надежным методом.Большинство приложений управления используют этот тип запуска, потому что желаемый момент поворота SCR возможен с помощью метода запуска затвора. Давайте посмотрим на различные схемы включения SCR.

Цепь включения сопротивления

• В приведенной ниже схеме показано срабатывание по сопротивлению SCR, где он используется для управления нагрузкой от входного источника переменного тока. Комбинированная схема сопротивления и диода действует как схема управления затвором, чтобы переключить тиристор в желаемое состояние.
• При подаче положительного напряжения SCR смещается в прямом направлении и не проводит до тех пор, пока его ток затвора не превысит минимальный ток затвора SCR.
• Когда ток затвора применяется путем изменения сопротивления R2, ​​так что ток затвора должен быть больше минимального значения тока затвора, тиристор включается. И, следовательно, ток нагрузки начинает течь через тиристор.
• SCR остается включенным, пока анодный ток не сравняется с током удержания SCR. И он выключится, когда приложенное напряжение станет нулевым. Таким образом, ток нагрузки равен нулю, поскольку тиристор действует как разомкнутый переключатель.
• Диод защищает схему управления затвором от обратного напряжения затвора во время отрицательного полупериода входа.Сопротивление R1 ограничивает ток, протекающий через вывод затвора, и его значение таково, что ток затвора не должен превышать максимальный ток затвора.
• Это самый простой и экономичный тип запуска, но он ограничен для нескольких приложений из-за его недостатков.
• В этом случае угол срабатывания ограничен только 90 градусами. Поскольку приложенное напряжение является максимальным при 90 градусах, ток затвора должен достигать минимального значения тока затвора где-то между нулем и 90 градусами.

Сопротивление — Емкостная (RC) цепь включения

• Ограничение цепи срабатывания сопротивления может быть преодолено с помощью цепи срабатывания RC, которая обеспечивает управление углом зажигания от 0 до 180 градусов. Изменяя фазу и амплитуду тока затвора, с помощью этой схемы можно получить большой разброс угла зажигания.
• На рисунке ниже показана RC-цепь запуска, состоящая из двух диодов с RC-цепью, подключенной для включения SCR.
• Изменяя переменное сопротивление, угол срабатывания или срабатывания регулируется в течение полного положительного полупериода входного сигнала.
• Во время отрицательного полупериода входного сигнала конденсатор заряжается положительной нижней пластиной через диод D2 до максимального напряжения питания Vmax. Это напряжение на конденсаторе остается равным -Vmax, пока напряжение питания не достигнет перехода через нуль.
• Во время положительного полупериода входа тиристор становится смещенным в прямом направлении, и конденсатор начинает заряжаться через переменное сопротивление до значения напряжения срабатывания тринистора.
• Когда напряжение зарядки конденсатора равно напряжению триггера затвора, SCR включается, и конденсатор удерживает небольшое напряжение. Следовательно, напряжение на конденсаторе полезно для запуска SCR даже после 90 градусов входного сигнала.
• В этом случае диод D1 предотвращает отрицательное напряжение между затвором и катодом во время отрицательного полупериода входа через диод D2.

Цепь зажигания UJT

• Это наиболее распространенный метод запуска SCR, потому что продолжительные импульсы на затворе с использованием методов запуска R и RC вызывают большее рассеивание мощности на затворе, поэтому при использовании UJT (Uni Junction Transistor) в качестве устройства запуска потери мощности ограничиваются он производит последовательность импульсов.
• RC-сеть подключена к выводу эмиттера UJT, который формирует схему синхронизации. Конденсатор фиксирован, в то время как сопротивление изменяется, и, следовательно, скорость зарядки конденсатора зависит от переменного сопротивления, что означает, что управление постоянной времени RC.
• При подаче напряжения конденсатор начинает заряжаться через переменное сопротивление. Изменяя значение сопротивления, можно изменять напряжение на конденсаторе. Как только напряжение на конденсаторе становится равным пиковому значению UJT, он начинает проводить и, следовательно, вырабатывать импульсный выходной сигнал до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не станет равным напряжению впадины Vv UJT.Этот процесс повторяется и генерирует серию импульсов на базовой клемме 1.
• Импульсный выход на базовом выводе 1 используется для включения тринистора через заданные интервалы времени.

Заключение

Полное руководство по различным типам методов включения SCR. Изучите некоторые важные основы SCR, методы включения SCR, такие как запуск по прямому напряжению, запуск по температуре, запуск dv / dt, запуск по свету, запуск по стробу (и его типы). Также некоторые из популярных схем зажигания SCR.

Срабатывание и срабатывание тиристорного тиристора »Электроника

Цепь запуска является одной из ключевых областей конструкции схемы тиристора или тиристора, поэтому ключевым моментом является обеспечение того, чтобы кремниевый управляемый выпрямитель срабатывал при необходимости и не срабатывал ложно.

Конструкция схемы тиристора Включает:
Праймер для разработки схемы тиристора Схема работы Конструкция пусковой / пусковой цепи Лом перенапряжения Цепи симистора

При разработке схемы тиристора, тиристора, особое внимание необходимо уделить схеме запуска.Работа всей области схемы тиристорного или кремниевого выпрямителя в значительной степени зависит от способа ее запуска.

Обеспечение отсутствия ложных срабатываний, а также обеспечение срабатывания тиристора, когда это необходимо, требует особого внимания при проектировании схемы.

При срабатывании тиристоров или тиристоров важны различные аспекты, включая требования к управлению затвором, если используется запуск затвора, время запуска, при котором необходимо выдерживать время приложенного триггерного стимула для фиксации схемы и другие.Важность различных параметров зависит от используемой формы запуска SCR.

Сводка по срабатыванию / срабатыванию тринистора

Существует несколько способов срабатывания или срабатывания тиристора или тиристора.

• Запуск гейта: Эта форма запуска SCR наиболее часто встречается в различных используемых схемах. Это простой, надежный, эффективный, а также простой в реализации для большинства приложений — может быть подан простой сигнал запуска с соответствующей обработкой, если требуется.Это означает, что другие электронные схемы могут использоваться для получения подходящего сигнала запуска, который затем может быть применен к SCR.

  Для использования тринистора затвора, тиристор должен работать ниже своего напряжения пробоя, и соответствующий запас безопасности также должен допускать любые переходные процессы, которые могут произойти. В противном случае может возникнуть прямое напряжение или срабатывание пробоя.

  Для включения SCR, положительное напряжение затвора между затвором и катодом. Это вызывает ток затвора, при котором заряды вводятся во внутренний p-слой устройства.Это эффективно снижает напряжение, при котором происходит прямое переключение. Можно сделать вывод, что ток затвора определяет прямое напряжение, при котором устройство переключается в проводящее состояние. Чем выше ток затвора, тем ниже напряжение переключения в прямом направлении.

  Есть много простых методов подачи сигнала запуска. Возможно, одна из самых простых схем показана на схеме ниже.
  Схема тиристора с дополнительными резисторами затвора Здесь видно, что резисторов два.Первый — это R1, который включен для ограничения тока затвора до приемлемого уровня. Этот резистор выбирается таким образом, чтобы обеспечить ток, достаточный для срабатывания тринистора, при сохранении его в безопасных пределах для устройства. Его легко рассчитать, используя номиналы устройства и закон Ома.

  Второй резистор R2 — резистор катода затвора. Иногда это обозначается как RGK и используется для предотвращения ложного срабатывания. Действие резистора можно увидеть по сравнению с двухтранзисторным аналогом SCR.Это показывает, что низкое внешнее сопротивление между затвором и катодом пропускает некоторый ток вокруг затворного перехода. Соответственно, для инициирования и поддержания проводимости требуется более высокий анодный ток. В частности, обнаружено, что низкотоковые высокочувствительные тиристоры срабатывают при очень низких уровнях тока, и поэтому требуется внешнее сопротивление затвор-катод для предотвращения срабатывания термически генерируемого тока утечки в области затвора. Однако сопротивление катода затвора частично пропускает внутренний анодный ток, вызванный быстрой скоростью изменения анодного напряжения (dv / dt).Он также увеличивает прямое напряжение переключения за счет снижения эффективности области NPN-транзистора, что требует несколько более высокого эффекта лавинного умножения для инициирования срабатывания триггера. Ток, который идет в обход затворного перехода, также влияет на токи фиксации и удержания.

  Таким образом, можно видеть, что эффекты использования резистора байпаса катодного затвора включают:
  

  • Увеличение допустимых значений dv / dt.
  • Сохраните демпфирование затвора, чтобы обеспечить максимальное повторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии VDRM.
  • Повышение уровней тока фиксации и удержания
  • Уменьшить время выключения, tq.
  Хотя показанная выше простая схема подходит для многих приложений, где требуется более управляемый механизм запуска, необходимо учитывать характеристики затвора перед запуском, во время запуска и после него. Это необходимо, потому что характеристики затвора изменяются в результате изменений тока внутри устройства.
• Прямое напряжение катода на аноде Запуск SCR: Эта форма запуска или зажигания SCR происходит, когда напряжение между анодом и катодом вызывает лавинную проводимость.То, как это происходит, можно увидеть в сочетании со структурой SCR.
  Структура тиристора Когда прямое напряжение между анодом и катодом увеличивается, диодный переход J2 испытывает повышенное напряжение, поскольку он смещен в обратном направлении. В конечном итоге градиент напряжения будет увеличиваться за пределами точки пробоя, и произойдет лавинный пробой, запускающий SCR. Напряжение, при котором это происходит, известно как напряжение прямого отключения VB0.

  Когда переход J2 выходит из строя, течет ток, и тиристор переводится в проводящее состояние.Переходы J1, J3 уже смещены в прямом направлении, и поэтому пробой перехода J2 позволяет потоку носителей через все три перехода, обеспечивая протекание тока нагрузки. Как и в случае с другими формами запуска SCR, устройство остается в проводящем состоянии.

  Использование этого метода включения устройства не рекомендуется, поскольку превышение значения VB0 может привести к повреждению устройства. Любая цепь должна быть спроектирована так, чтобы избежать этого метода срабатывания, учитывая максимум возможных скачков напряжения.

• Запуск dv / dt: Запуск SCR также может происходить без какого-либо тока затвора, если скорость нарастания анодного и катодного напряжения превышает определенные пределы для конкретного устройства.
• Срабатывание по температуре: Эта форма срабатывания SCR может иметь место при некоторых обстоятельствах. Это может вызвать неожиданные отклики, и поэтому его последствия следует учитывать как часть любого процесса проектирования.

  Срабатывание по температуре SCR или тиристоров происходит, когда напряжение на переходе J2 и любой ток утечки может повысить температуру перехода.Повышение температуры дополнительно увеличивает температуру, что, в свою очередь, увеличивает ток утечки. Этот кумулятивный процесс может быть достаточным для запуска SCR, хотя он имеет тенденцию происходить только при высокой температуре устройства.

• Срабатывание по свету: Эта форма срабатывания или срабатывания SCR часто используется в высоковольтных системах. Здесь электрическое соединение от пускового механизма не требуется, и можно использовать изолированный источник света.

  Там, где должен использоваться легкий запуск SCR, доступны специально изготовленные SCR. Срабатывание света во внутреннем P-типе происходит позже. Когда эта область облучается светом, генерируются свободные носители заряда, и, как и при подаче стробирующего сигнала, запускается SCR.

  Для достижения максимального поглощения света используются специализированные структуры SCR, часто имеющие углубление во внутреннем P-типе позже, чтобы обеспечить максимальный доступ к свету.

  Чтобы включить запуск светового сигнала, свет часто направляется в нужную точку тиристора / тиристора с помощью оптического волокна.Когда свет превышает определенную интенсивность, происходит переключение. SCR этого типа часто называют активированным светом SCR или LASCR. Эти LASCR использовались в коммутационных центрах распределения электроэнергии высокого напряжения. Оптическое переключение позволяет достичь очень высокого уровня изоляции, сохраняя при этом возможность переключения с использованием схемы низкого уровня.

Особенно важно понимать все аспекты срабатывания тиристоров или тиристоров. Таким образом, если возникают какие-либо ложные срабатывания, это помогает отследить способ, которым это может произойти.Также, если тиристор не срабатывает при необходимости, это тоже может помочь решить проблему.