Вольт амперная характеристика тиристора. Вольтамперная характеристика тиристора: принцип работы, особенности и применение

Что такое вольтамперная характеристика тиристора. Какие участки она имеет. Как работает тиристор в разных режимах. Каковы основные параметры тиристоров. Где применяются тиристоры в электронике.

Что такое тиристор и его вольтамперная характеристика

Тиристор — это полупроводниковый прибор с четырехслойной p-n-p-n структурой, имеющий два устойчивых состояния: закрытое (высокое сопротивление) и открытое (низкое сопротивление). Вольтамперная характеристика (ВАХ) тиристора отражает зависимость тока, протекающего через прибор, от приложенного к нему напряжения.

ВАХ тиристора имеет S-образную форму с участком отрицательного дифференциального сопротивления. Это ключевая особенность, определяющая уникальные свойства тиристора как электронного ключа.

Основные участки вольтамперной характеристики тиристора

Рассмотрим подробнее основные участки ВАХ тиристора:

1. Участок прямого запирания — от нуля до напряжения включения. Тиристор закрыт и имеет высокое сопротивление.
2. Точка включения — при достижении напряжения включения тиристор резко открывается.
3. Участок отрицательного дифференциального сопротивления — напряжение падает при росте тока.
4. Участок прямой проводимости — тиристор полностью открыт и имеет низкое сопротивление.
5. Участок обратного запирания — тиристор закрыт при обратном напряжении.

Принцип работы тиристора на разных участках ВАХ

Работа тиристора на разных участках ВАХ определяется процессами в его p-n-p-n структуре:

• В закрытом состоянии средний p-n переход смещен обратно и блокирует ток.
• При достижении напряжения включения начинается лавинный пробой среднего перехода.
• Лавинный ток вызывает инжекцию носителей из эмиттеров, что приводит к резкому открытию тиристора.
• В открытом состоянии все переходы смещены в прямом направлении, обеспечивая низкое сопротивление.

Ключевые параметры тиристоров

Основными параметрами тиристоров, определяемыми по их ВАХ, являются:

• Напряжение включения — напряжение, при котором происходит открытие тиристора
• Ток удержания — минимальный ток через открытый тиристор, необходимый для поддержания открытого состояния
• Импульсный ток — максимально допустимый кратковременный ток через открытый тиристор
• Время включения и выключения — определяют быстродействие тиристора

Влияние температуры на характеристики тиристора

Температура оказывает существенное влияние на параметры тиристора:

• С ростом температуры снижается напряжение включения
• Увеличивается ток утечки в закрытом состоянии
• Уменьшается максимально допустимый ток в открытом состоянии
• Ухудшаются динамические характеристики (времена включения и выключения)

Поэтому при проектировании устройств с тиристорами необходимо учитывать температурные зависимости их параметров.

Способы управления тиристором

Существует несколько способов управления работой тиристора:

• Управление анодным напряжением — тиристор открывается при достижении напряжения включения
• Управление током управляющего электрода — подача импульса тока в базу снижает напряжение включения
• Световое управление — в фототиристорах управление осуществляется световым потоком
• Температурное управление — изменение температуры влияет на параметры включения

Наиболее распространен способ управления током управляющего электрода, позволяющий точно контролировать момент включения тиристора.

Применение тиристоров в электронике

Благодаря своим уникальным свойствам тиристоры широко применяются в силовой электронике:

• Управление электродвигателями постоянного и переменного тока
• Регуляторы мощности в бытовой технике
• Источники бесперебойного питания
• Преобразователи напряжения и частоты
• Системы плавного пуска мощных электродвигателей
• Коммутационная аппаратура (твердотельные реле)

Тиристоры позволяют эффективно управлять большими мощностями при помощи слабых управляющих сигналов.

Разновидности тиристоров

Существует несколько основных разновидностей тиристоров:

• Динисторы — двухэлектродные тиристоры без управляющего электрода
• Тринисторы — трехэлектродные тиристоры с управляющим электродом
• Симисторы — симметричные тиристоры, проводящие ток в обоих направлениях
• Фототиристоры — тиристоры, управляемые световым потоком
• Оптронные тиристоры — тиристоры с оптической развязкой управления

Каждый тип имеет свои особенности ВАХ и области применения.

Сравнение тиристоров с другими полупроводниковыми приборами

Рассмотрим основные отличия тиристоров от транзисторов и диодов:

Параметр	Тиристор	Транзистор	Диод
Структура	4 слоя (p-n-p-n)	3 слоя (p-n-p или n-p-n)	2 слоя (p-n)
Режимы работы	Ключевой (открыт/закрыт)	Ключевой и усилительный	Выпрямительный
Управление	Импульсное (триггерный эффект)	Непрерывное	Отсутствует
Коммутируемая мощность	Высокая	Средняя	Низкая

Тиристоры сочетают высокую коммутируемую мощность с возможностью управления, что определяет их широкое применение в силовой электронике.

Моделирование работы тиристора

Для анализа работы тиристора в электрических схемах используются различные модели:

• Двухтранзисторная модель — тиристор представляется в виде двух связанных биполярных транзисторов
• Модель с управляемым источником тока — описывает S-образную ВАХ тиристора
• Модель идеального ключа — для упрощенного анализа коммутационных процессов
• SPICE-модели — для точного компьютерного моделирования

Выбор модели зависит от требуемой точности и целей моделирования.

Заключение

Вольтамперная характеристика тиристора отражает его уникальные свойства как управляемого полупроводникового прибора. Понимание особенностей ВАХ тиристора необходимо для эффективного применения этих приборов в различных областях электроники. Развитие технологии производства тиристоров продолжается, что позволяет создавать все более совершенные устройства на их основе.

Вольт амперная характеристика тиристора

Лекция Тиристоры

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, т. е. состояние низкой проводимости (

тиристор заперт) и открытое состояние, т. е. состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

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.

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 их ВАХ симметрична) и имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком

(от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, называемых также диаками (от англ. diac), часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

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 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.
• В точке 1 происходит включение тиристора.
• Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
• Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).
• В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток I_h.
• Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.
• Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

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.

Дата добавления: 2015-11-20 ; просмотров: 1879 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или болееp-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

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 высокомусопротивлению 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.

· Участок далее Vbr — режим обратного пробоя.

Схемы включения тиристоров

В данной схеме включения тиристора, тиристор переходит в открытое состояние когда напряжение на входе 1 оптопары достигает 1,8-2,5В силой тока 5-7мА. Небольшой недостаток включения тиристора через диодный мост — это потери напряжения на нем, порядка 20В. Свечение лампы по данной схеме будет чуть тускнее нежели при прямом включении.

На рисунке 2 показана схема включения тиристора через транзистор. Управляющий ток проходящий через резистор R2 невелик и составляет не более 30мА. Условие выбора транзистора должно быть следующим, что бы максимальное напряжение коллектор эмитер было не менее 300В.

Тиристоры

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (напримертринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Схемы вкл. тиристоров

3 с помощью оптопары 4 по аноду

Свето фотодиоды

Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Светодио́д — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером — слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором — слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Взаимная коагуляция коллоидных растворов.

Коагуляция смесью электролитов.

При коагуляции коллоидных растворов смесью электролитов возможны три случая:

а) коагулирующее действие суммируется, т. е. наблюдается аддитивное действие, как, например, для смеси электролитов NaCl + KCl;

б) снижение коагулирующего действия одного иона в присутствии другого (антогонизм) наблюдается у ионов различной зарядности, например, антогонизм ионов Al 3+ и K + при коагуляции отрицательно заряженных коллоидных частиц AgI;

в) синергизм – взаимное усиление коагулирующей способности ионов, например, при коагуляции отрицательно заряженного золя золота коагулирующее действие смеси электролитов LiCl + CsCl₃ усиливается и превышает сумму коагулирующих способностей отдельных электролитов.

При смешении двух золей с противоположными зарядами частиц в результате их электростатического притяжения наблюдается взаимная коагуляция.

Вольтамперные характеристики тиристоров относятся к S-образным характеристикам приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ВАХ тиристора имеет несколько различных участков (рис. 7.2).

Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению, подаваемому на первый p₁-эмиттер тиристора.

Положительным считается направление тока, втекающего в анодную область р-типа электропроводности, к которой подсоединен положительный полюс источника питания. Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением.

В этом случае основная часть напряжения V_G падает на коллекторном переходе П₃, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П₁ и П₂ включены в прямом направлении.

Рис. 7.2 ВАХ тиристора: VG – напряжение между анодом и катодом; Iу, Vу – минимальные удерживаемые ток и напряжение; Iв, Vв – ток и напряжение включения

Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ pn-перехода. На участке 1-2 дифференциальное сопротивление положительное и имеет большое значение. С ростом тока дифференциальное сопротивление постепенно уменьшается и в точке (2) становится равным нулю. Участок 2-3 соответствует отрицательному дифференциальному сопротивлению. Участок 3-4 характеризуется малым положительным дифференциальным сопротивлением.

Рассмотрим характерные точки ВАХ тиристора. Точку, для которой напряжение на прямой ветви ВАХ тиристора максимально, называют точкой включения. Напряжение на аноде, соответствующее этой точке, называют напряжением включения U_в, а ток – током включения I_в.

В точке переключения дифференциальное сопротивление обращается в нуль, а напряжение на структуре достигает максимального значения, равного напряжению включения U_в.

Напряжение включения – это анодное напряжение в прямом направлении, при котором в двухэлектродном (динисторном) включении тиристор переходит из закрытого состояния в открытое. Напряжение включения обычно имеет небольшой запас относительно напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода.

Ток включения I_в – это такое значение анодного тока тиристора при прямом направлении, при превышении которого тиристор в двухэлектродном включении переключается в открытое состояние.

Если уменьшать ток через тиристор, то по достижении некоторого минимального тока, который необходим для поддержания его в открытом состоянии, называемого током выключения I_выкл или I_у (удерживающим), происходит переключение в закрытое состояние.

Эквивалентная схема тиристора может быть представлена с помощью двух транзисторов (рис. 7.3), таким образом, тиристор можно рассматривать как соединение рnр-транзистора с nрn-транзистором, причем коллектор каждого из них соединен с базой другого.

Рис. 7.3. Двухтранзисторная модель диодного тиристора

К катоду тиристора прикладывается отрицательное (или нулевое) напряжение, к аноду положительное. При положительном анодном напряжении эмиттерные переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Через эмиттерные переходы в базовые области инжектируются неосновные носители заряда. Посредством диффузии или дрейфа они перемещаются к коллекторному переходу. Часть носителей на этом пути рекомбинирует, а оставшиеся – достигают коллекторного перехода. Генерируемые в области ОПЗ коллекторного перехода электроны и дырки разделяются полем этого перехода и поступают соответственно в n-и p-базы. Для инжектированных эмиттерами носителей заряда в коллекторном переходе нет потенциального барьера, и они переходят в базовые области: дырки в p-базу, а электроны в n-базу.

Рис. 7.4. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в закрытом (а) состоянии

Задерживаемые потенциальными барьерами эмиттерных переходов, дырки и электроны образуют избыточные положительные и отрицательные заряды в соответствующих базах, что аналогично приложению прямого напряжения к эмиттерным переходам. Потенциальные барьеры эмиттеров понижаются, что вызывает увеличение инжекции дырок из p-эмиттера в n-базу и электронов из n эмиттера в p-базу.

При увеличении напряжения коллекторного перехода в области ОПЗ коллектора начинается лавинное умножение неосновных носителей, что приводит к росту потоков электронов и дырок и их накопление в соответствующих базах.

Появление дополнительного отрицательного заряда электронов в n-базе приводит к приоткрыванию эмиттерного перехода pnp-транзистора и инжекции дырок, заряд которых нейтрализует накопленный в базе заряд электронов.

Рис. 7.5. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в открытом (б) состоянии

Появление дополнительного положительного заряда дырок в p-базе приводит к приоткрыванию эмиттерного перехода pnp-транзистора и инжекции электронов, заряд которых нейтрализует накопленный в базе заряд дырок. Инжектированные дополнительно носители через коллектор попадают в соседнюю базу, способствуя дальнейшему открыванию соответствующих эмиттерных переходов и нарастанию тока. Процесс будет повторяться до тех пор, пока не будет достигнут предельно возможный в данной цепи ток, обусловленный внешней нагрузкой. При этом тиристор переходит во включенное состояние (отр. 3-4 на рис. 7.2), в котором он обладает минимальным сопротивлением. При этом как pnp-транзистор, так и npn-транзистор попадают в режим насыщения.

ВАХ тиристора в двухэлектродном включении представляет собой зависимость напряжения на аноде в функции тока анода U_A(I_A). При двухэлектродном включении тиристора ток управления равен нулю (I_У=0) и поэтому ток анода равен току катода I_A=I_K=I.

При задании тока I через тиристор эмиттеры pnp— и npn-структур инжектируют неосновные носители зарядов в базовые области соответствующих транзисторов, которые собираются общим для обеих структур коллектором.

Напряжение между анодом и катодом определяется суммой напряжений на ОПЗ рn-переходов структуры. В данном случае мы проводим простейший анализ и падением напряжения на областях квазиэлектронейтралых баз пренебрегаем:

UA = U1 — U2 + U3

(7.1)

Общий ток тиристора I=∙I_А= I_К, будет включать как управляемые токи, так и тепловой ток коллекторного перехода I_к0:

I=αp∙IА +αn∙IК+Iк0=Iк0+(αp+αn)∙I

(7.2)

(7.3)

Ток анода, при котором выполняется условие = 1 является током включения I_в, так как при этом токе имеет место максимум кривой U(I).

Необходимым условием формирования S-образной ВАХ тиристора с участком отрицательного дифференциального сопротивления является зависимость суммы коэффициентов передачи тока α=α₁+α₂ от тока через структуру.

Из формулы (7.3) следует, что если

(α1 + α2) → 1,

(7.4)

то ток тиристора стремится к бесконечности. Таким образом (7.4) и будет условием включения тиристора. На рис. 7.5 показаны зависимости коэффициентов α_p=α₁, α_n=α₂ и α_S=(α₁+α₂) от тока через тиристор.

Рис. 7.5. Зависимости коэффициентов α_p, α_n и α_S=(α_p+α_n) от тока через тиристор

Поскольку ток определяется напряжением на тиристоре, аналогичная зависимость будет, если использовать в качестве аргумента напряжение. При этом моменту включения тиристора будут соответствовать значения некоторого порогового тока и напряжения: I_в, U_в. Изменяя характер зависимости α_p(I) или α_n(I) возможно изменять значения тока и напряжения, при которых происходит переход тиристора в состояние с малым сопротивлением.

При увеличении тока эмиттера могут возрастать как коэффициент переноса æ, так и коэффициент инжекции γ. Увеличение коэффициента переноса может происходить вследствие появления ускоряющего электрического поля, уменьшения рекомбинационных потерь неосновных носителей заряда в базе и возрастания времени жизни носителей с ростом уровня инжекции.

Учтем еще один фактор – лавинное умножение в коллекторном переходе П₃ через коэффициент лавинного умножения М. Тогда суммарный ток I через переход П₃ будет равен:

(7.6)

где M – коэффициент лавинного умножения, который предполагается одинаковым для электронов и дырок и определяется формулой Миллера (5.52). Откуда:

(7.7)

где α=α_p+α_n – суммарный коэффициент передачи тока первого (p₁n₁p₂) и второго (n₂p₂n₁) транзисторов. Выражение (7.7) в неявном виде описывает ВАХ диодного тиристора на «закрытом» участке, поскольку коэффициенты М и α зависят от приложенного напряжения V_G. По мере роста α и М с ростом V_G, когда значение М(α₁+α₂) станет равно 1, из уравнения (7.7) следует, что ток I устремится к ∞. Это условие и есть условие переключения тиристора из состояния «закрыто» в состояние «открыто».

Таким образом, в состоянии «закрыто» тиристор должен характеризоваться малыми значениями α и М, а в состоянии «открыто» – большими значениями коэффициентов α и М.

В закрытом состоянии (α – малы) все приложенное напряжение падает на коллекторном переходе П₃ и ток тиристора – это ток обратно смещенного pn— перехода. Чтобы выключить транзистор необходимо создать условия, при которых исчезает заряд, инжектированный в базы транзистора, и, соответственно, концентрации неосновных носителей около коллекторного перехода становятся меньше или равны равновесным. При этом будет иметь место выход pnp- и npn-транзисторов из режима насыщения и переход тиристора в состояние с высоким сопротивлением. Проще всего выключить тиристор, прекратив на некоторое время инжекцию заряда через эмиттерные переходы. При питании тиристора переменным напряжением это происходит автоматически в момент, когда напряжение проходит через ноль.

Если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы П₁ и П₃ будут смещены в обратном направлении, а П₂ – в прямом. ВАХ тиристора в этом случае будет обычная ВАХ двух обратносмещенных pn-переходов.

При подаче анодного напряжения обратной полярности через тиристор протекает обратный ток I_обр, указываемый как параметр для максимального обратного напряжения U_обрmax.

Быстродействие тиристоров характеризуют временем включения, и временем выключения. Как и в транзисторе, эти времена определяются процессами накопления и рассасывания избыточных носителей заряда в областях четырехслойной структуры.

Для того чтобы снизить порог включения достаточно ввести неосновные носители заряда в одну из баз тиристора. Осуществить это возможно, изготовив дополнительный управляющий электрод к одной из баз транзистора. Тогда чем больше ток управляющего электрода, тем раньше будет наступать включение (см. рис. 7.6).

Рис. 7.6 Структура и ВАХ тиристора в триодной схеме

Рассмотрим влияние тока управления на ВАХ тиристора более подробно. При двухэлектродном включении тиристора основные носители, необходимые для установления рекомбинационного равновесия в базах, поступают в n— и р-базы тиристора через коллекторный рn-переход. При подаче тока управления I_у в р-базу тиристора через управляющий электрод тиристора вводятся дополнительные основные носители (дырки) и поэтому рекомбинационное равновесие достигается при меньших значениях собственного тока коллекторного перехода I_k и, следовательно, меньших значениях напряжения U_A на рnрn-структуре.

Вследствие зависимости коэффициентов передачи тока от тока анода при наличии дополнительного тока I_у кривая на рис. 7.6,б сместится влево по оси токов, напряжение включения тиристора с ростом положительного тока управления уменьшается. При некотором достаточно большом токе управления участок отрицательного сопротивления исчезает. В этом случае говорят, что происходит спрямление ВАХ тиристора, а соответствующий ток управления называют током управления спрямления I_y.спр.

Ток I_у является одним из главных параметров тринисторов (трехэлектродных тиристоров). Постоянный отпирающий ток управляющего электрода I_{у вкл} – минимальное значение постоянного тока управляющего электрода, которое обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое при определенном режиме в основной цепи. Этому току соответствует постоянное отпирающее напряжение U_{у вкл} на управляющем электроде.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Тиристоры. Вольт-амперная характеристика — Мегаобучалка

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или болееp-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

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 высокомусопротивлению 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.

· Участок далее Vbr — режим обратного пробоя.

Схемы включения тиристоров

В данной схеме включения тиристора, тиристор переходит в открытое состояние когда напряжение на входе 1 оптопары достигает 1,8-2,5В силой тока 5-7мА. Небольшой недостаток включения тиристора через диодный мост — это потери напряжения на нем, порядка 20В. Свечение лампы по данной схеме будет чуть тускнее нежели при прямом включении.

На рисунке 2 показана схема включения тиристора через транзистор. Управляющий ток проходящий через резистор R2 невелик и составляет не более 30мА. Условие выбора транзистора должно быть следующим, что бы максимальное напряжение коллектор эмитер было не менее 300В.

Тиристоры

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (напримертринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Схемы вкл. тиристоров

3 с помощью оптопары 4 по аноду

Свето фотодиоды

Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

 

Светодио́д — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером — слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором — слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

 

Тиристор Вольт Ампер Характеристики

Когда затвор открыт

Тиристор в этом состоянии можно рассматривать как три последовательно включенных диода, направленных таким образом, чтобы предотвратить проводимость в любом направлении.

Характеристики прямого направления

Кривая характеристики тиристора VI

Когда устройство смещено в прямом направлении, т.е. анод положительный, а катод отрицательный, переходы J1 и J2 смещены в прямом направлении, а переход J2 смещен в обратном направлении. Никакой ток, кроме тока утечки, не течет до тех пор, пока не будет превышено напряжение отключения соединения J2. Следует отметить, что прямое и обратное напряжения пробоя близки по величине из-за того, что в обратном заблокированном состоянии почти все напряжение появляется на анодном PN-переходе.

Как только происходит прорыв в прямом направлении, центральный слой P нейтрализуется электронами с катода, и устройство действует как проводящий диод с двумя переходами, дающими падение вперед примерно в два раза больше, чем у диода.

Чтобы тиристор перешел в состояние ВКЛ, анодный ток должен достичь уровня фиксации. Для сохранения включенного состояния анодный ток не должен падать ниже тока удержания. Ток фиксации обычно вдвое превышает ток удержания, но оба они малы и составляют менее 1% от номинального значения при полной нагрузке.

Обратные характеристики

Обратные характеристики, то есть с отрицательным анодом и положительным катодом, такие же, как у обычного диода с PN-переходом.

Ток удержания

Минимальное значение прямого анодного тока, которое будет удерживать тиристор во включенном состоянии, называется током удержания.

Ток фиксации

Чтобы тиристор достиг и удерживал состояние ВКЛ, анодный ток должен достичь уровня фиксации. Этот уровень тока называется током фиксации.

или

Это минимальный анодный ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии сразу после включения тиристора.

Примечание: — Между I _H и I _L существует переход от ON к OFF и от OFF к ON .

Подача напряжения на затвор

Тиристор при прямом смещении может включаться путем подачи тока на клемму затвора относительно отрицательного катода, как показано ниже.

Напряжение затвора тиристора

Действие тока затвора заключается в инжектировании дырок во внутренний P-срез, которые вместе с электронами из N-слоя катода прорываются через центральный управляющий переход, переключая тристор во включенное состояние.

Если I _G увеличить от нуля, точка пробоя будет достигнута раньше, но характеристическая кривая будет иметь ту же форму. При дальнейшем увеличении I _G напряжение пробоя будет достигнуто раньше. как только анодный ток превысит уровень фиксации, ток затвора может прекратиться, а тиристор останется во включенном состоянии, независимо от условий в цепи затвора.

Влияние I

_G на перенапряжение пробоя (V _BO )

Из кривой характеристики VI видно, что прямое напряжение пробоя уменьшается с увеличением тока затвора. На самом деле ток затвора можно было бы увеличить до уровня, при котором напряжение пробоя было бы настолько низким, что устройство имело бы характеристики, очень похожие на характеристики обычного диода с PN-переходом.

---

• Тиристорный
• Тиристорный затвор Сети зажигания
• Затвор выключения (G.T.O) Тиристорный

SCR-Вольт-Ампер-Характеристики

SCR Характеристики

Как уже упоминалось, SCR представляет собой четырехслойное устройство с тремя выводами, а именно, анодом, катодом и затвором. Когда анод становится положительным по отношению к катоду, переходы J ₁ и J ₃ смещены в прямом направлении, а переход J ₂ смещен в обратном направлении, и через устройство будет протекать только ток утечки. Тогда говорят, что SCR находится в состоянии блокировки пересылки, или в режиме пересылки, или в выключенном состоянии. Но когда катод становится положительным по отношению к аноду, переходы J ₁ и J ₃ смещены в обратном направлении, через SCR будет протекать небольшой обратный ток утечки, и говорят, что SGR находится в обратном заблокированном состоянии или в обратном режиме.

Когда анод положителен по отношению к катоду, т. е. когда тиристор находится в прямом режиме, тиристор не проводит, пока прямое напряжение не превысит определенное значение, называемое прямым напряжением пробоя, В _FB0 . В непроводящем состоянии ток через тринистор представляет собой ток утечки, который очень мал и им можно пренебречь. Если подается положительный ток затвора, SCR может стать проводящим при напряжении, намного меньшем, чем прямое напряжение пробоя. Чем больше ток затвора, тем ниже напряжение пробоя. При достаточно большом токе затвора SCR ведет себя так же, как выпрямитель PN. Как только SCR включается, прямое падение напряжения на нем внезапно уменьшается до очень небольшого значения, скажем, около 1 вольта. В проводящем или открытом состоянии ток через тринистор ограничивается внешним импедансом.

Когда анод отрицателен по отношению к катоду, то есть когда тиристор находится в обратном режиме или в состоянии блокировки, ток через тиристор не протекает, за исключением очень небольшого тока утечки порядка нескольких микроампер. Но если обратное напряжение превышает определенное значение, называемое обратным напряжением пробоя, происходит лавинный пробой V _RB0 . Напряжение прямого отключения В _FB0 обычно выше напряжения обратного отключения, В _РБО.

Из предыдущего обсуждения видно, что SCR имеет два стабильных и обратимых рабочих состояния. Переход из выключенного состояния во включенное, называемое включением, может быть достигнут путем увеличения прямого напряжения выше В _FB0 . Более удобным и полезным способом включения устройства является привод затвора. Если прямое напряжение меньше прямого напряжения пробоя, V _FB0 , его можно включить, подав положительное напряжение между затвором и катодом. Этот метод называется управлением воротами. Еще одна очень важная особенность ворот заключается в том, что как только SCR срабатывает, ворота теряют контроль.

Переключение затвора происходит только тогда, когда

(i)                SCR смещен в прямом направлении, т. .

После включения тиристора он не может контролировать количество протекающего через него тока. Ток через SCR полностью контролируется внешним импедансом, включенным в цепь, и приложенным напряжением. Однако существует очень небольшое, около 1 В, падение потенциала на SCR. Прямой ток через SCR можно уменьшить, уменьшив приложенное напряжение или увеличив полное сопротивление цепи. Однако существует минимальный прямой ток, который необходимо поддерживать, чтобы SCR оставался в проводящем состоянии. Это называется номинальным током удержания SCR. Если ток через SCR снижается ниже уровня тока удержания, устройство возвращается в выключенное состояние или состояние блокировки.

Тиристор можно отключить, уменьшив прямой ток ниже уровня тока удержания, что можно сделать либо путем уменьшения приложенного напряжения, либо путем увеличения импеданса цепи.

Примечание : Ворота могут только запускать или включать SCR, но не могут выключаться.

В качестве альтернативы тиристор можно отключить, подав отрицательное напряжение на анод (реверсивный режим), при этом тиристор, естественно, будет выключен.

Здесь стоит отметить один момент, SCR выключается через определенное время.