Выпрямитель на тиристорах: выпрямители с тиристорным регулятором напряжения

Содержание

выпрямители с тиристорным регулятором напряжения

 

При разработке регулируемого источника питания без высокочастотного преобразователя разработчик сталкивается с такой проблемой, что при минимальном выходном напряжении и большом токе нагрузки на регулирующем элементе стабилизатор рассеивается большая мощность. До настоящего времени в большинстве случаев эту проблему решали так: делали несколько отводов у вторичной обмотки силового трансформатора и разбивали весь диапазон регулировки выходного напряжения на несколько поддиапазонов. Такой принцип использован во многих серийных источниках питания, например, УИП-2 и более современных. Понятно, что использование источника питания с несколькими поддиапазонами усложняется, усложняется также дистанционное управление таким источником питания, например, от ЭВМ.

Выходом мне показалось использование управляемого выпрямителя на тиристоре т. к. появляется возможность создания источника питания, управляемого одной ручкой установки выходного напряжения или одним управляющим сигналом с диапазоном регулировки выходного напряжения от нуля (или почти от нуля) до максимального значения. Такой источник питания можно будет изготовить из готовых деталей, имеющихся в продаже.

К настоящему моменту управляемые выпрямители с тиристорами описаны и весьма подробно в книгах по источникам питания, но практически в лабораторных источниках питания применяются редко. В любительских конструкциях они также редко встречаются (кроме, конечно, зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов). Надеюсь, что настоящая работа поможет изменить это положение дел.

В принципе, описанные здесь схемы могут быть применены для стабилизации входного напряжения высокочастотного преобразователя, например, как это сделано в телевизорах “Электроника Ц432”. Приведенные здесь схемы могут также быть использованы для изготовления лабораторных источников питания или зарядных устройств.

Описание своих работ я привожу не в том порядке как я их проводил, а более или менее упорядочено. Сначала рассмотрим общие вопросы, затем “низковольтные” конструкции типа источников питания для транзисторных схем или зарядки аккумуляторов и затем “высоковольтные” выпрямители для питания схем на электронных лампах.

Работа тиристорного выпрямителя на емкостную нагрузку

В литературе описано большое количество тиристорных регуляторов мощности, работающих на переменном или пульсирующем токе с активной (например, лампы накаливания) или индуктивной (например, электродвигатель) нагрузкой. Нагрузкой же выпрямителя обычно является фильтр в котором для сглаживания пульсаций применяются конденсаторы, поэтому нагрузка выпрямителя может иметь емкостный характер.

 

Рассмотрим работу выпрямителя с тиристорным регулятором на резистивно-емкостную нагрузку. Схема подобного регулятора приведена на рис. 1.

 

 

 

Рис. 1.

   Здесь для примера показан двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, однако он может быть выполнен и по другой схеме, например, мостовой. Иногда тиристоры кроме регулирования напряжения на нагрузке Uн выполняют также функцию выпрямительных элементов (вентилей), однако такой режим допускается не для всех тиристоров (тиристоры КУ202 с некоторыми литерами допускают работу в качестве вентилей). Для ясности изложения предположим, что тиристоры используются только для регулирования напряжения на нагрузке Uн, а выпрямление производится другими приборами.

 

Принцип работы тиристорного регулятора напряжения поясняет рис. 2. На выходе выпрямителя (точка соединения катодов диодов на рис. 1) получаются импульсы напряжения (нижняя полуволна синусоиды “вывернута” вверх), обозначенные U

выпр. Частота пульсаций fп на выходе двухполупериодного выпрямителя равна удвоенной частоте сети, т. е. 100Hz при питании от сети 50Hz. Схема  управления подает на управляющий электрод тиристора импульсы тока (или света если применен оптотиристор) с определенной задержкой tз относительно начала периода пульсаций, т. е. того момента, когда напряжение выпрямителя Uвыпр становится равным нулю.

 

 

Рис. 2.

    Рисунок 2 выполнен для случая, когда задержка tз превышает половину периода пульсаций. В этом случае схема работает на падающем участке волны синусоиды. Чем больше задержка момента включения тиристора, тем меньше получится выпрямленное напряжение Uн на нагрузке. Пульсации напряжения на нагрузке Uн сглаживаются конденсатором фильтра Cф. Здесь и далее сделаны некоторые упрощения при рассмотрении работы схем: выходное сопротивление силового трансформатора считается равным нулю, падение напряжения на диодах выпрямителя не учитывается, не учитывается время включения тиристора. При этом получается что подзаряд емкости фильтра C

ф происходит как бы мгновенно. В реальности после подачи запускающего импульса на управляющий электрод тиристора заряд конденсатора фильтра занимает некоторое время, которое, однако, обычно намного меньше периода пульсаций Тп.

 Теперь представим, что задержка момента включения тиристора tз равна половине периода пульсаций (см. рис. 3). Тогда тиристор будет включаться, когда напряжение на выходе выпрямителя проходит через максимум.

 

 

 

Рис. 3.

 

    В этом случае напряжение на нагрузке Uн также будет наибольшим, примерно таким же, как если бы тиристорного регулятора в схеме не было (пренебрегаем падением напряжения на открытом тиристоре).

 Здесь мы и сталкиваемся с проблемой. Предположим, что мы хотим регулировать напряжение на нагрузке почти от нуля до наибольшего значения, которое можно получить от имеющегося силового трансформатора. Для этого с учетом сделанных ранее допущения потребуется подавать на тиристор запускающие импульсы ТОЧНО в момент, когда U

выпр проходит через максимум, т. е. tз=Tп/2. С учетом того, что тиристор открывается не моментально, а подзарядка конденсатора фильтра Cф также требует некоторого времени, запускающий импульс нужно подать несколько РАНЬШЕ половины периода пульсаций, т. е. tз<Tп/2. Проблема в том, что во-первых сложно сказать насколько раньше, т. к. это зависит от таких причин, которые при расчете точно учесть сложно, например, времени включения данного экземпляра тиристора или полного (с учетом индуктивностей) выходного сопротивления силового трансформатора. Во-вторых, даже если произвести расчет и регулировку схемы абсолютно точно, время задержки включения tз, частота сети, а значит, частота и период Tп пульсаций, время включения тиристора и другие параметры со временем могут измениться. Поэтому для того чтобы получить наибольшее напряжение на нагрузке Uн возникает желание включать тиристор намного раньше половины периода пульсаций.

 Предположим, что так мы и поступили, т. е. установили время задержки tз намного меньшее Тп

/2. Графики, характеризующие работу схемы в этом случае приведены на рис. 4. Заметим, что если тиристор откроется раньше половины полупериода, он будет оставаться в открытом состоянии пока не закончится процесс заряда конденсатора фильтра Cф (см. первый импульс на рис. 4).

 

 

Рис. 4.

 

    Оказывается, что при малом времени задержки tз возможно возникновение колебаний выходного напряжения регулятора. Они возникают в том случае, если в момент подачи на тиристор запускающего импульса напряжение на нагрузке Uн оказывается больше напряжения на выходе выпрямителя Uвыпр. В этом случае тиристор оказывается под обратным напряжением и не может открыться под действием запускающего импульса. Один или несколько запускающих импульсов могут быть пропущены (см. второй импульс на рис. 4). Следующее включение тиристора произойдет когда конденсатор фильтра разрядится и в момент подачи управляющего импульса тиристор будет находиться под прямым напряжением.

 

Вероятно, наиболее опасным является случай, когда оказывается пропущен каждый второй импульс. В этом случае через обмотку силового трансформатора будет проходить постоянный ток, под действием которого трансформатор может выйти из строя.

 

Для того чтобы избежать появления колебательного процесса в схеме тиристорного регулятора вероятно можно отказаться от импульсного управления тиристором, но в этом случае схема управления усложняется или становится неэкономичной. Поэтому автор разработал схему тиристорного регулятора в которой тиристор нормально запускается управляющими импульсами и колебательного процесса не возникает. Такая схема приведена на рис. 5.

 

 

Рис. 5.

 

     Здесь тиристор нагружен на пусковое сопротивление Rп, а конденсатор фильтра Cф и нагрузка Rн подключены через пусковой диод VDп. В такой схеме запуск тиристора происходит независимо от напряжения на конденсаторе фильтра Cф.  После подачи запускающего импульса на тиристор его анодный ток сначала начинает проходить через пусковое сопротивление Rп и, затем, когда напряжение на Rп превысит напряжение на нагрузке Uн, открывается пусковой диод VDп и анодный ток тиристора подзаряжает конденсатор фильтра C

ф. Сопротивление Rп выбирается такой величины чтобы обеспечить устойчивый запуск тиристора при минимальном времени задержки запускающего импульса tз. Понятно, что на пусковом сопротивлении бесполезно теряется некоторая мощность. Поэтому в приведенной схеме предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания, тогда можно будет применить пусковое сопротивление большой величины и уменьшить потери мощности.

 

    Схема на рис. 5 имеет тот недостаток, что ток нагрузки проходит через дополнительный диод VDп, на котором бесполезно теряется часть выпрямленного напряжения. Этот недостаток можно устранить, если подключить пусковое сопротивление Rп к отдельному выпрямителю. Схема с отдельным выпрямителем управления, от которого питается схема запуска и пусковое сопротивление Rп приведена на рис. 6. В этой схеме диоды выпрямителя управления могут быть маломощными т. к. ток нагрузки протекает только через силовой выпрямитель.

 

 

 

Рис. 6.

 

Низковольтные источники питания с тиристорным регулятором

 

Ниже приводится описание нескольких конструкций низковольтных выпрямителей с тиристорным регулятором. При их изготовлении я взял за основу схему тиристорного регулятора, применяемого в устройствах для заряда автомобильных аккумуляторов (см. рис. 7). Эта схема успешно применялась моим покойным товарищем А. Г. Спиридоновым.

 

 

Рис. 7.

 

 

Элементы, обведенные на схеме (рис. 7), устанавливались на небольшой печатной плате. В литературе описано несколько подобных схем, отличия между ними минимальны, в основном, типами и номиналами деталей. В основном отличия такие:

 

1.     Применяют времязадающие конденсаторы разной емкости, т. е. вместо 0.5mF ставят 1mF, и, соответственно, переменное сопротивление другой величины. Для надежности запуска тиристора в своих схемах я применял конденсатор на 1mF.

 

2.     Параллельно времязадающему конденсатору можно не ставить сопротивление (3kW на рис. 7). Понятно, что при этом может потребоваться переменное сопротивление не на 15kW, а другой величины. Влияние сопротивления, параллельного времязадающему конденсатору на устойчивость работы схемы я пока не выяснил.

 

3.     В большинстве описанных в литературе схем применяются транзисторы типов КТ315 и КТ361. Порою они выходят из строя, поэтому в своих схемах я применял более мощные транзисторы типов КТ816 и КТ817.

 

4.     К точке соединения базы pnp и коллектора npn транзисторов может быть подключен делитель из сопротивлений другой величины (10kW и 12kW на рис. 7).

 

5.     В цепи управляющего электрода тиристора можно установить диод (см. на схемах, приведенных ниже). Этот диод устраняет влияние тиристора на схему управления.

 

Схема (рис. 7) приведена для примера, несколько подобных схем с описаниями можно найти в книге “Зарядные и пуско-зарядные устройства: Информационный обзор для автолюбителей / Сост. А. Г. Ходасевич, Т. И. Ходасевич -М.:НТ Пресс, 2005”. Книга состоит из трех частей, в ней собраны чуть ли не все зарядные устройства за историю человечества.

 

Простейшая схема выпрямителя с тиристорным регулятором напряжения приведена на рис. 8.

 

 

Рис. 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.

 

Достоинством данной схемы является меньшее число силовых диодов, требующих установки на радиаторы. Заметим, что диоды Д242 силового выпрямителя соединены катодами и могут быть установлены на общий радиатор. Анод тиристора соединенный с его корпусом подключен к “минусу” нагрузки.

 

Монтажная схема этого варианта управляемого выпрямителя приведена на рис. 10.

 

 

Рис. 10.

 

 

Для сглаживания пульсаций выходного напряжения может быть применен LC-фильтр. Схема управляемого выпрямителя с таким фильтром приведена на рис. 11.

 

 

Рис. 11.

 

 

Я применил именно LC-фильтр по следующим соображениям:

 

1.     Он более устойчив к перегрузкам. Я разрабатывал схему для лабораторного источника питания, поэтому перегрузки его вполне возможны. Замечу, что даже если сделать какую-либо схему защиты, то у нее будет некоторое время срабатывания. За это время источник питания не должен выходить из строя.

 

2.     Если сделать транзисторный фильтр, то на транзисторе обязательно будет падать некоторое напряжение, поэтому КПД будет низкий, а транзистору может потребоваться радиатор.

 

В фильтре использован серийный дроссель Д255В.

 

Рассмотрим возможные модификации схемы управления тиристором. Первая из них показана на рис. 12.

 

 

Рис. 12.

 

    Обычно времязадающую цепь тиристорного регулятора делают из включенных последовательно времязадающего конденсатора и переменного сопротивления. Иногда удобно построить схему так, чтобы один из выводов переменного сопротивления был подключен к “минусу” выпрямителя. Тогда можно включить переменное сопротивление параллельно конденсатору, как сделано на рисунке 12. Когда движок находится в нижнем по схеме положении, основная часть тока, проходящего через сопротивление 1.1kW поступает во времязадающий конденсатор 1mF и быстро заряжает его. При этом тиристор запускается на “макушках” пульсаций выпрямленного напряжения или немного раньше и выходное напряжение регулятора получается наибольшим. Если движок находится в верхнем по схеме положении, то времязадающий конденсатор закорочен и напряжение на нем никогда не откроет транзисторы. При этом выходное напряжение будет равно нулю. Меняя положение движка переменного сопротивления, можно изменять силу тока, заряжающего времязадающий конденсатор и, таким образом, время задержки запускающих импульсов.

 

Иногда требуется производить управление тиристорным регулятором не при помощи переменного сопротивления, а от какой-нибудь другой схемы (дистанционное управление, управление от вычислительной машины). Бывает, что детали тиристорного регулятора находятся под большим напряжением и непосредственное присоединение к ним опасно. В этих случаях вместо переменного сопротивления можно использовать оптрон.

 

 

Рис. 13.

 

    Пример включения оптрона в схему тиристорного регулятора показан на рис. 13. Здесь используется транзисторный оптрон типа 4N35. База его фототранзистора (вывод 6) соединена через сопротивление с эмиттером (вывод 4). Это сопротивление определяет коэффициент передачи оптрона, его быстродействие и устойчивость к изменениям температуры. Автор испытал регулятор с указанным на схеме сопротивлением 100kW, при этом зависимость выходного напряжения от температуры оказалась ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ, т. е. при очень сильном нагреве оптрона (оплавилась полихлорвиниловая изоляция проводов) выходное напряжение уменьшалось. Вероятно, это связано с уменьшением отдачи светодиода при нагреве. Автор благодарит С. Балашова за советы по использованию транзисторных оптронов.

 

 

 

Рис. 14.

 

 

    Рассмотрим также пример схемы с тиристорным регулятором на большее напряжение (см. рис. 15). Схема питается от вторичной обмотки силового трансформатора ТСА-270-1, дающей переменное напряжение 32V. Номиналы деталей, указанные на схеме, подобраны под это напряжение.

 

 

Рис. 15.

 

 

    Схема на рис. 15 позволяет плавно регулировать выходное напряжение от 5V до 40V, что достаточно для большинства устройств на полупроводниковых приборах, таким образом, эту схему можно взять за основу при изготовлении лабораторного источника питания.

 

Недостатком этой схемы является необходимость рассеивать достаточно большую мощность на пусковом сопротивлении R7. Понятно, что чем меньше ток удержания тиристора, тем больше может быть величина и меньше мощность пускового сопротивления R7. Поэтому здесь предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания.

 

Заметим также следующее. Часто в схемах тиристорных регуляторов применяют пороговые элементы с неизменным порогом срабатывания. При макетировании схемы автор решил так поступить чтобы обеспечить подачу в управляющий электрод тиристора импульсов постоянной амплитуды. Попытка стабилизировать порог срабатывания транзисторной схемы управления привела к ухудшению стабильности ее работы. Поэтому от стабилизации напряжения на конденсаторе C1, при котором открываются транзисторы было решено отказаться; к точке соединения базы VT1 и коллектора VT2 подключен делитель R4R5, питающийся пульсирующим напряжением с выпрямителя на диодах VD1-VD4. В этом случае схема работает устойчиво и в ней не замечено паразитных колебаний.

 

Кроме обычных тиристоров в схеме тиристорного регулятора может быть использован оптотиристор. На рис. 16. приведена схема с оптотиристором ТО125-10.

 

 

Рис. 16.

 

    Здесь оптотиристор просто включен вместо обычного, но т.к. его фототиристор и светодиод изолированы друг от друга, схемы его применения в тиристорных регуляторах могут быть и другими. Заметим, что благодаря малому току удержания тиристоров ТО125 пусковое сопротивление R7 требуется менее мощное, чем в схеме на рис. 15. Поскольку автор опасался повредить светодиод оптотиристора большими импульсными токами, в схему было включено сопротивление R6. Как оказалось, схема работает и без этого сопротивления, причем без него схема лучше работает при низких напряжениях на выходе.

 

Высоковольтные источники питания с тиристорным регулятором

 

При разработке высоковольтных источников питания с тиристорным регулятором за основу была взята схема управления оптотиристором, разработанная В. П. Буренковым (ПРЗ) для сварочных аппаратов.  Для этой схемы разработаны и выпускаются печатные платы. Автор выражает благодарность В. П. Буренкову за образец такой платы. Схема одного из макетов регулируемого выпрямителя с использованием платы конструкции Буренкова приведена на рис. 17.

 

 

Рис. 17.

 

     Детали, установленные на печатной плате обведены на схеме пунктиром. Как видно из рис. 16, на плате установлены гасящие сопротивления R1 и R2, выпрямительный мост VD1 и стабилитроны VD2 и VD3. Эти детали предназначены для питания от сети 220V. Чтобы испытать схему тиристорного регулятора без переделок в печатной плате, использован силовой трансформатор ТБС3-0,25У3, вторичная обмотка которого подключена таким образом, что с нее снимается переменное напряжение 200V, т. е. близкое к нормальному питающему напряжению платы. Схема управления работает аналогично описанным выше, т. е. конденсатор С1 заряжается через подстроечное сопротивление R5 и переменное сопротивление (установлено вне платы) до того момента, пока напряжение на нем не превысит напряжение на базе транзистора VT2, после чего транзисторы VT1 и VT2 открываются и происходит разряд конденсатора С1 через открывшиеся транзисторы и светодиод оптронного тиристора.

 

Достоинством данной схемы является возможность подстройки напряжения, при котором открываются транзисторы (при помощи R4), а также минимального сопротивления во времязадающей цепи (при помощи R5). Как показывает практика, иметь возможность такой подстройки весьма полезно, особенно если схема собирается в любительских условиях из случайных деталей. При помощи подстроечных сопротивлений R4 и R5 можно добиться регулировки напряжения в широких пределах и устойчивой работы регулятора.

 

С этой схемы я начинал свои ОКР по разработке тиристорного регулятора. В ней же и был обнаружен пропуск запускающих импульсов при работе тиристора на емкостную нагрузку (см. рис. 4). Желание повысить стабильность работы регулятора привело к появлению схемы рис. 18. В ней автор опробовал работу тиристора с пусковым сопротивлением (см. рис 5.

 

 

 

Рис. 18.

 

    В схеме рис. 18. использована та же плата, что и в схеме рис. 17, только с нее удален диодный мост, т.к. здесь используется один общий для нагрузки и схемы управления выпрямитель. Заметим, что в схеме на рис. 17 пусковое сопротивление подобрано из нескольких параллельно включенных чтобы определить максимально возможное значение этого сопротивления, при котором схема начинает устойчиво работать. Между катодом оптотиристора и конденсатором фильтра включено проволочное сопротивление 10W. Оно нужно для ограничения бросков тока через опторитистор. Пока это сопротивление не было установлено, после поворота ручки переменного сопротивления оптотиристор пропускал в нагрузку одну или несколько целых полуволн выпрямленного напряжения.

На основании проведенных опытов была разработана схема выпрямителя с тиристорным регулятором, пригодная для практического использования. Она приведена на рис. 19.

 

 

Рис. 19.

 

 

 

Рис. 20.

 

     Печатная плата SCR1M0 (рис. 20) разработана для установки на нее современных малогабаритных электролитических конденсаторов и проволочных сопротивлений в керамическом корпусе типа SQP. Автор выражает благодарность Р. Пеплову за помощь с изготовлением и испытанием этой печатной платы.

 Поскольку автор разрабатывал выпрямитель с наибольшим выходным напряжением 500V, потребовалось иметь некоторый запас по выходному напряжению на случай снижения напряжения сети. Увеличить выходное напряжение оказалось возможным если пересоединить обмотки силового трансформатора, как показано на рис. 21.

 

 

Рис. 21.

 

     Замечу также, что схема рис. 19 и плата рис. 20 разработаны с учетом возможности их дальнейшего развития. Для этого на плате SCR1M0 имеются дополнительные выводы от общего провода GND1 и GND2, от выпрямителя DC1

 

Разработка и налаживание выпрямителя с тиристорным регулятором SCR1M0 проводились совместно со студентом Р. Пеловым в ПГУ. C его помощью были сделаны фотографии модуля SCR1M0 и осциллограмм.

 

 

Рис. 22. Вид модуля SCR1M0 со стороны деталей

 

 

Рис. 23. Вид модуля SCR1M0 со стороны пайки

 

 

Рис. 24. Вид модуля SCR1M0 сбоку

 

Таблица 1. Осциллограммы при малом напряжении

 

№ п/п

Минимальное положение регулятора напряжения

По схеме

Примечания

1

На катоде VD5

5 В/дел

2 мс/дел

2

На конденсаторе C1

2 В/дел

2 мс/дел

3

т.соединения R2 и R3

2 В/дел

2 мс/дел

4

На аноде тиристора

100 В/дел

2 мс/дел

5

На катоде тиристора

50 В/дел

2 мс/де

 

 

 

Таблица 2. Осциллограммы при среднем напряжении

 

№ п/п

Среднее положение регулятора напряжения

По схеме

Примечания

1

На катоде VD5

5 В/дел

2 мс/дел

2

На конденсаторе C1

2 В/дел

2 мс/дел

3

т.соединения R2 и R3

2 В/дел

2 мс/дел

4

На аноде тиристора

100 В/дел

2 мс/дел

5

На катоде тиристора

100 В/дел

2 мс/дел

 

Таблица 3. Осциллограммы при максимальном напряжении

 

№ п/п

Максимальное положение регулятора напряжения

По схеме

Примечания

1

На катоде VD5

5 В/дел

2 мс/дел

2

На конденсаторе C1

1 В/дел

2 мс/дел

3

т.соединения R2 и R3

2 В/дел

2 мс/дел

4

На аноде тиристора

100 В/дел

2 мс/дел

5

На катоде тиристора

100 В/дел

2 мс/дел

 

По ходу налаживания схемы была выявлена ее склонность к паразитным колебаниям “выбросам” при малом (менее 100V) выходном напряжении. Т. е. в течение некоторого времени регулятор работает нормально и дает, скажем, 30V выходного напряжения, потом дает выброс вольт в 400, потом снова работает нормально, потом снова выброс и т. д. Возникло подозрение, что это явление возникает из-за того, что тиристор не успевает закрыться если он был открыт в самом конце полупериода. Тогда он может оставаться некоторое время открытым и пропустить ВЕСЬ следующий полупериод.

Чтобы избавиться от этого недостатка схема регулятора была изменена. Было установлено два тиристора – каждый на свой полупериод. С этими изменениями схема испытывалась несколько часов и “выбросов” замечено не было.

 

Рис. 25. Схема SCR1M0 с доработками

Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах


Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах

  Управляемый выпрямитель на тиристорах — элементах, обладающих большим коэффициентом усиления по мощности, позволяет получать большие токи в нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора. На первых двух рисунках изображены варианты выпрямителей на тиристорах, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 в (рис. 1) и от 0,5 до 15 в (рис. 2). На рис. 3 представлена диаграмма напряжений, помогающая понять принцип работы выпрямителя собранного по схеме рис. 1. В течение одного полупериода к аноду тиристора приложено положительное относительно катода напряжение.

  Пока на управляющий электрод не подан положительный сигнал определенной амплитуды со схемы запуска, тиристор не пропускает ток в прямом направленип. Через некоторый произвольный угол задержки а между напряжениями на управляющем электроде и катоде прикладывается положительный запускающий сигнал, вызывающий протекание тока через тиристор и соответственно через нагрузку. При перемене полярности напряжения на аноде тиристора последний закрывается независимо от величины управляющего напряжения, при этом аналогично рассмотренному ранее начинает работать другое плечо схемы. Регулируя угол задержки включения а по отношению к приложенному напряжению, можно изменять соотношение фаз начала протекания тока и приложенного напряжения и регулировать величину среднего значения выпрямленного тока (напряжения) нагрузки от максимума (а = 0) до нуля (а = Пи).

  Угол задержки включения тиристоров Д1 и Д4 изменяется потенциометром R1. Диоды Д3 защищают цени управления (запуска) от отрицательного напряжения в то время, когда напряжение на анодах тиристоров отрицательное. Для получения широких пределов регулировки а (0 — Пи) применены RC - цепи. В выпрямителе (рис.2) тиристор и схема запуска работают как в положительный, так и в отрицательный полупериоды, время разряда конденсаторов сокращается, что приводит к уменьшению диапазона изменения угла а и, соответственно, к уменьшению пределов регулирования напряжения на нагрузке. Для устранения этого явления включен диод Д3.

  Тиристоры для выпрямителя (рис. 1) желательно выбирать с близким значением сопротивления участка управляющий электрод — катод. Если не удается подобрать одинаковые тиристоры, то схему можно симметрировать с помощью дополнительного сопротивления. Для этого включают эквивалент нагрузки и изменением величины сопротивления потенциометра R1 устанавливают максимальный ток. Поочередно отключая цепи управления тиристоров, измеряют ток каждого плеча выпрямителя. Переменное сопротивление величиной 10 ком. подключается параллельно управляющему электроду к катоду того тиристора, через который течет больший ток. Изменяя величину этого сопротивления, добиваются одинаковых показаний тока.

  Учитывая разброс параметров тиристоров, необходимо скорректировать сопротивления резисторов R1 и R2. Вначале R1 берется несколько больше рассчитанного, а R2 определяется как остаточное сопротивление потенциометра R1 при условии, что его изменение не приводит к увеличению тока нагрузки. Максимальная величина R1 ограничивается сопротивлением, при котором ток нагрузки равен нулю.

  Конструктивно тиристоры необходимо размещать на радиаторах с площадью 50 кв.см (рис. 1), 250 кв.см - (рис. 2). Во всех вариантах использован трансформатор, собранный на обычном сердечнике УШ35х55. Для намотки взят провод марки ПЭВ. Первичная обмотка содержит 550 витков, диаметр провода 0,55 мм. Данные вторичных обмоток: для варианта на рис.1 - число витков 2х60 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.; для варианта на рис.2 - число витков 2х64 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.

И. СЕРЯКОВ
Ю. РУЧКИН
Радио №2, 1971

Источник: shems.h2.ru

Применение тиристоров. Управляемый выпрямитель — Студопедия

Схема управления тиристором

Схема управления не запираемого тиристора представлена на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Схема управления тиристором

Назначение элементов схемы. Импульсный трансформатор Т служит для гальванической развязки схемы, формирующей импульс управления, от силовой цепи, в которой установлен тиристор VS. Диод VD предназначен для защиты управляющего электрода тиристора от отрицательного выброса напряжения, который образуется на вторичной обмотке импульсного трансформатора Т по срезу импульса управления. Резистор Rогр = 10…100 Ом применяется для выравнивания величины тока управления, так как входное сопротивление управляющего электрода тиристоров сильно различается даже в одной партии. Если этот резистор не установлен, то у тиристоров с низким входным сопротивлением может произойти перегрев и даже выгорание управляющего электрода. Резистор Rш устанавливается для защиты от помех, наводимых на провода схемы управления, которые могут вызвать открывание тиристора без подачи управляющего импульса.

Если в схеме выпрямителя заменить диоды на тиристоры, можно получить схему управляемого выпрямителя, выпрямленное напряжение на выходе которого можно регулировать, изменяя угол управления тиристором. В главе 3 рассмотрены схемы однофазных выпрямителей на диодах. Любую из этих схем можно превратить в управляемый выпрямитель. Чтобы выяснить, как влияет на характеристики выпрямителя применение тиристоров вместо диодов, рассмотрим однофазный однополупериодный выпрямитель на тиристоре (рис. 15.4). Схема управления тиристором СУ применена такая же, как на рис. 15.3. Для анализа физических процессов в регулируемом однофазном однополупериодном выпрямителе рассмотрим его временную диаграмму работы (рис. 15.5).


Рис. 15.4. Регулируемый однофазный однополупериодный выпрямитель

На втором графике временной диаграммы изображены импульсы управления тиристором с различным углом управления a, который отсчитывается от момента перехода синусоиды напряжения U2 через ось времени.

При a = 0 тиристор открывается при минимальном напряжении на аноде (практически как диод), поэтому ток из трансформатора в нагрузку поступает в течение времени, равном длительности положительной полуволны синусоиды.

При a = 450 тиристор открывается с задержкой на ¼ длительности полуволны синусоиды, поэтому ток из трансформатора в нагрузку поступает в течение ¾ длительности полуволны синусоиды.


При a = 900 тиристор открывается с задержкой на ½ длительности полуволны синусоиды, и ток из трансформатора в нагрузку поступает также в течение ½ длительности полуволны синусоиды.

При a = 1800 тиристор закрыт всё время действия положительной полуволны синусоиды, и ток из трансформатора в нагрузку не поступает.

Следовательно, с увеличением a действующее напряжение в нагрузке будет уменьшаться. Зависимость выходного напряжения выпрямителя от угла регулирования Ud = f(a) называется регулировочной характеристикой. Она описывается выражением

, (15.1)

где Ud0(a = 0) – напряжение холостого хода выпрямителя при a = 0 (как если бы в схеме выпрямителя применялись диоды). В данной схеме Ud0(a = 0) = 0,45×U2.

Рис. 15.5. Временная диаграмма управляемого однофазного однополупериодного выпрямителя

На пятом графике временной диаграммы изображено напряжение, действующее на тиристор. При a = 0 к тиристору приложено только обратное напряжение Ub.max, которое достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки и зависит от схемы выпрямителя (см. лекцию 3). Для рассматриваемого выпрямителя

. (15.2)

При a > 0 к тиристору, кроме обратного напряжения Ub.max, прикладывается прямое напряжение Ua,, которое можно определить по формуле

. (15.3)

Максимальной амплитуды Ua.max = U2m прямое напряжение достигает при a = 900. Для нормальной работы схемы должно выполняться условие Ua.max < Uвкл, чтобы тиристор не смог самопроизвольно (без подачи импульса управления) открыться.

При поступлении на тиристор отрицательной полуволны синусоиды он автоматически закрывается, и остаётся закрытым до поступления очередного импульса управления.

Рассмотрим теперь энергетические характеристики управляемого выпрямителя. Расчетные мощности обмоток S1, S2 и типовую мощность трансформатора ST определяют при a = 0, исходя из параметров неуправляемого режима.

В связи с тем, что при изменении угла регулирования a происходит сдвиг во времени первой гармоники потребляемого из сети тока i1(1) относительно питающего напряжения, управляемый выпрямитель потребляет из сети реактивную мощность даже при чисто активной нагрузке. Угол сдвига первой гармоники тока питающей сети i1(1) относительно питающего напряжения

, (15.4)

где- амплитуда косинусной составляющей первой гармоники разложения в ряд Фурье тока i1;

- амплитуда синусной составляющей первой гармоники разложения в ряд Фурье тока i1.

Действующее значение первой гармоники тока в первичной обмотке трансформатора

. (15.5)

Коэффициент искажения формы тока

. (15.6)

Коэффициент мощности выпрямителя

, (15.7)

то есть с ростом угла регулирования коэффициент мощности снижается.

Управляемые выпрямители можно выполнить и по двухполупериодной, и по мостовой схемам. В этих схемах выходное напряжение в зависимости от a также определяется выражением (15.1), только Ud0(a = 0) = 0,9×U2.

SCR Выпрямитель с кремниевым управлением »Примечания по электронике

Тиристорные или тиристорные цепи используются для многих применений управления мощностью от управления освещением до силовых двигателей переменного тока и других коммутационных приложений.


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


Тиристорный или кремниевый выпрямитель, SCR, является особенно полезным компонентом и находит множество применений в таких областях, как управление мощностью, где эти компоненты могут использоваться для переключения высоких напряжений и токов.Тиристоры взяли на себя большинство приложений переключения мощности, которые когда-то выполнялись с помощью реле, хотя контакторы очень высокого напряжения все еще используются.

Тиристорный или кремниевый выпрямитель, конструкция тиристора может быть проста. Устройства, хотя и немного необычные, следуют тем же основным правилам проектирования схем, которые регулируют и другие компоненты.

Основная проблема заключается в том, чтобы убедиться, что все компоненты имеют соответствующие характеристики, поскольку часто тиристорные схемы используются в приложениях с высокой мощностью.

Тиристор, основы схемы SCR

Тиристорный или кремниевый выпрямитель работает иначе, чем стандартный биполярный транзистор или полевой транзистор.

Тиристор имеет два электрода, которые подключены к главной цепи управления. Эти два электрода называются анодом и катодом.

Третий электрод, называемый затвором, используется для управления тиристором в цепи.

Обозначение тиристора или цепи тиристора
Примечание по тиристорной технологии:

Тиристоры или тиристоры основаны на уникальной структуре PNPN-структуры и имеют три электрода: анод, катод и затвор.Когда затвор получает ток срабатывания, он запускает тиристор, позволяя току течь, пока напряжение между анодом и катодом не будет снято. Это позволяет тиристору переключать высокие напряжения и токи, хотя это только более половины цикла. Два могут использоваться для покрытия обеих половин цикла.

Подробнее о Тиристорная техника

Чтобы понять, как SCR работает в цепи, лучше всего взглянуть на его эквивалентную схему.Из этого видно, что SCR можно рассматривать как состоящий из двух соединенных между собой транзисторов.

В начальных условиях проводимость между анодом и катодом отсутствует. Однако, если на затвор подается ток, заставляющий TR2 проводить ток, тиристор включается, но только в одном направлении. Эта проводимость будет сохраняться, даже если ток затвора будет удален. Таким образом, ток затвора можно рассматривать как импульс запуска.

Чтобы остановить проводимость, напряжение между анодом и катодом должно быть уменьшено до уровня ниже уровня падения.Это происходит, когда один или оба транзистора достигают своего режима отсечки. В этот момент проводимость всего устройства прекратится, и ворота нужно будет повторно запустить.

Эквивалентная схема тиристора

Как можно понять, тиристор SCR проводит только в одном направлении. При использовании с сигналом переменного тока его необходимо повторно запускать для каждого полупериода проводимости.

Когда тиристор SCR находится в полностью проводящем состоянии, падение напряжения на устройстве обычно составляет около 1 В для всех значений анодного тока вплоть до его номинального значения.

SCR затем продолжает проводить, пока анодный ток остается выше удерживающего тока для устройства, которое обычно обозначается как IH. Ниже этого значения SCR перестает проводить. Следовательно, в цепях постоянного тока и некоторых высокоиндуктивных цепях переменного тока должны быть средства отключения устройства, поскольку тиристор будет продолжать проводить.

Схема тиристорного затвора

Чтобы предотвратить перегрузку затвора, а также ложное срабатывание, некоторые резисторы часто помещают в цепь затвора.

Схема тиристора с дополнительными резисторами затвора

При разработке схемы SCR часто используются два резистора затвора.

В схему включен R1 для ограничения тока затвора до приемлемого уровня. Этот резистор выбран так, чтобы обеспечить достаточный ток для срабатывания тринистора, но при этом он не обеспечивает такой большой нагрузки, чтобы затворный переход находился под напряжением.

Второй резистор R2 - это резистор катода затвора, иногда обозначаемый как RGK, включенный для предотвращения ложного срабатывания.Это эффективно снижает чувствительность ворот.

Иногда этот резистор может быть включен в сам корпус SCR, и внешний резистор может не потребоваться. Необходимо свериться с даташитом производителя, чтобы определить, что необходимо.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Различные типы выпрямителей и их работа

Схема выпрямителя

Как общая часть всех цепей электронных источников питания, выпрямительная цепь обеспечивает питание постоянного тока от имеющегося источника переменного тока для правильной работы электронного оборудования. В зависимости от типа применения, эта конфигурация и типы выпрямителя различаются, например, диодные выпрямители, выпрямители с фазовым управлением и т. Д., Но каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.Схема выпрямителя может быть реализована с различными твердотельными электронными или электрическими компонентами, такими как диоды, тиристоры, полевые МОП-транзисторы и так далее. На этих компонентах используется выпрямитель, работа которого изменяется для получения требуемой мощности. Перед тем как узнать его типы, дайте нам знать вкратце, что такое выпрямитель.

Что такое выпрямитель?

Выпрямитель - это схема, которая используется для преобразования источника переменного тока в однонаправленный источник постоянного тока. Этот процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC) также называется выпрямлением.Эти мостовые выпрямители доступны в различных корпусах в виде модулей от нескольких ампер до нескольких сотен ампер. В основном в схемах мостовых выпрямителей полупроводниковый диод используется для преобразования переменного тока, поскольку он позволяет току течь только в одном направлении (однонаправленное устройство).

Что такое выпрямитель

Выбор мостового выпрямителя

зависит от требований к нагрузке, и, помимо этого, следует учитывать следующие факторы: номинальные характеристики компонентов, напряжение пробоя, номинальный прямой ток, номинальный переходный ток, диапазоны температур, требования к установке и т. Д.Мы можем подключать диоды в разных конфигурациях для получения разных типов выпрямителей.

Типы выпрямителей

Выпрямители

подразделяются на множество конфигураций, как показано на рисунке ниже. Эти выпрямители классифицируются в зависимости от таких факторов, как тип источника питания, конфигурация моста, характер управления, используемые компоненты и т. Д. В основном выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные выпрямители, а затем подразделяются на неуправляемые, полууправляемые и полностью управляемые выпрямители.Давайте вкратце рассмотрим некоторые из этих типов выпрямителей.

Типы выпрямителей

Однофазные неуправляемые выпрямители

В выпрямителях этого типа используется неуправляемый диод для выпрямления входного переменного тока. На выходных клеммах этого выпрямителя мощность становится постоянной, и изменение ее величины или значения в зависимости от требований нагрузки невозможно.

Полуволновой выпрямитель

Это простой тип выпрямителя, состоящий из одного диода, который включен последовательно с нагрузкой.Для малых уровней мощности обычно используется этот тип выпрямительной схемы.

Полуволновой выпрямитель

Во время положительной половины входа переменного тока диод становится смещенным в прямом направлении, и через него начинают протекать токи. Во время отрицательной половины входа переменного тока диод становится смещенным в обратном направлении, и ток перестает течь через него. Форма выходного сигнала на нагрузке показана на рисунке. Из-за высокой пульсации на выходе этот тип выпрямителя редко используется с чисто резистивной нагрузкой.

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

В этом типе выпрямителя используются два диода и трансформатор с центральной вторичной обмоткой с ответвлениями. Во время положительного полупериода входного переменного тока диод D1 смещен в прямом направлении, и через него начинает течь ток к нагрузке. Во время отрицательной половины входной диод D2 смещен в прямом направлении, а D1 становится смещенным в обратном направлении. Ток нагрузки начинает течь через D2 во время этого отрицательного пика. Обратите внимание, что ток, протекающий через нагрузку, не изменился даже при изменении полярности напряжения.

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

Достоинствами этого выпрямителя являются более низкий коэффициент пульсаций и более высокий КПД, но необходимость трансформатора с центральным ответвлением вторичной обмотки является основным недостатком и делает схему более дорогой.

Полноволновой мостовой выпрямитель

Используя то же вторичное напряжение, этот мостовой выпрямитель может почти вдвое увеличить выходное напряжение по сравнению с двухполупериодным выпрямителем с центральным ответвлением. Во время положительной половины входного переменного тока диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении, а D3 и D4 - в обратном.Таким образом, ток нагрузки протекает через диоды D1 и D2. Во время отрицательного полупериода входные диоды D3 и D4 смещены в прямом направлении, а D1 и D2 - в обратном. Следовательно, ток нагрузки протекает через диоды D3 и D4.

Полноволновой мостовой выпрямитель

Однофазные полууправляемые выпрямители

В управляемых выпрямителях

для управления выходом используются тиристоры вместо диодов. Регулируя время срабатывания тиристоров (или MOSFET и IGBT), мы можем управлять напряжением и током через нагрузки, и этот процесс называется методом фазового управления выпрямлением.

Однофазные полууправляемые выпрямители

Схема однофазного полууправляемого выпрямителя показана ниже, где используются два диода и два тиристора, подключенные поперек нагрузки. Каждая ножка состоит из одного подруливающего устройства и одного диода, и за каждую проводимость отвечают два компонента ножки. Однако тиристоры T1 и T3 или диоды D2 и D4 не могут вести себя одновременно.

Во время положительного полупериода входа T1 и D2 смещены в прямом направлении. При срабатывании T1 ток нагрузки протекает через T1 и D2.Если напряжение проходит через отрицательный переход через нуль входного напряжения, D4 переходит в проводимость, коммутируя D2, и тогда напряжение нагрузки становится равным нулю.

Формы сигналов полууправляемого выпрямителя

Во время отрицательного полупериода T3 и D4 смещены в прямом направлении, и когда срабатывает T3, ток нагрузки начинает течь через T3 и D4. Аналогичным образом при переходе через нуль D2 переходит в проводимость, коммутируя D4. Как видно на рисунке ниже, ток нагрузки всегда остается выше нуля, это называется режимом непрерывной проводимости выпрямления постоянного тока.Также на рисунке показан прерывистый режим работы.

Однофазный полностью управляемый выпрямитель

Этот тип выпрямительной схемы на основе силовой электроники является наиболее популярным и широко используется для управления скоростью

Тиристоры, дискретные полупроводники - Jotrin Electronics

Тиристоры, дискретные полупроводники - Jotrin Electronics Продукция> Дискретные полупроводники> Тиристоры

Тиристор является однонаправленным устройством, то есть он будет проводить ток только в одном направлении, но, в отличие от диода, тиристор может работать либо как переключатель разомкнутой цепи, либо как выпрямительный диод, в зависимости от того, как затвор тиристора срабатывает.Первое производство: 1956 г. Jotirn Electronics продает часть тиристоров, покупайте тиристоры в интернет-магазине Jotirn.

  • Изображения и модели
  • Описание
  • Цена за единицу
  • Кол. Акций
  • Операция
  • CR03AM-16A # B00

    ТО92

    Производитель: RENESAS

  • Тиристор SCR 800V 3mA 3Pin TO-92 Bag
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 8000
  • Запрос Сравнить
  • ВС-40ТПС08-М3

    TO247

    Производитель: VISHAY

  • Тиристор SCR Управление фазой Тиристор 800V 600A 3Pin (3 + Tab) TO-247AC Tube
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 50
  • Запрос Сравнить
  • EC103D1WX

    СОТ-223

    Производитель: NXP

  • Тиристор, 400 В, 12 мкА, 500 мА, 800 мА, SC-73, 3 контакта
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 12238
  • Запрос Сравнить
  • BTA310X-600E, 127

    К-220

    Производитель: NXP

  • Тиристор TRIAC 600V 93A 3Pin (3 + Tab) TO-220F Rail
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 175
  • Запрос Сравнить
  • 5P6J-AZ

    ТО251

    Производитель: TOSHIBA

  • Тиристор SCR 600V 65A 3Pin (2 + Tab) TO-252
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 3833
  • Запрос Сравнить
  • Z0103NA0QP

    ТО92

    Производитель: NXP

  • TRIAC SENS GATE 800V 1A
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 102000
  • Запрос Сравнить
  • S4015L56TP

    ТО220-3

    Производитель: LITTELFUSE

  • ВОРОТА SCR 400V 15A TO220
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 7795
  • Запрос Сравнить
  • Z0109MA 1AA2

    К-92

    Производитель: ST

  • TRIAC SENS GATE 600V 1A TO92-3
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 100
  • Запрос Сравнить
  • X0405MF 1AA2

    К-202

    Производитель: ST

  • 4A SCRS, тиристоры - диаки, сидаки, тиристоры и симисторы 4.0 ампер 600 вольт
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 8775
  • Запрос Сравнить
  • VW2X30-12IO1

    V1-A-Pack

    Производитель: IXYS

  • Дискретные полупроводниковые модули 30 А 1200 В
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 8505
  • Запрос Сравнить
  • ВВЗБ135-16НО1

    E2

    Производитель: IXYS

  • Мостовые выпрямители 135 Amps 1600V
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 12
  • Запрос Сравнить
  • VVZB120-12IO2

    Пакет V2

    Производитель: IXYS

  • Мостовые выпрямители 120 Amps 1200V
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 128
  • Запрос Сравнить
  • ВВЗ40-16ИО1

    КАММ

    Производитель: IXYS

  • Модули SCR 40 А 1600 В
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 208
  • Запрос Сравнить
  • ВВЗ40-12ИО1

    МОДУЛЬ

    Производитель: IXYS

  • Модули SCR 40 А 1200 В
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 208
  • Запрос Сравнить
  • VVZ24-16IO1

    МОДУЛЬ

    Производитель: IXYS

  • Серия VVZ24 1600 Вррм 27 А 1.Трехфазный выпрямительный мост 45 Vf
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 208
  • Запрос Сравнить
  • ВВЗ24-12ИО1

    МОДУЛЬ

    Производитель: IXYS

  • Модули SCR 24 А 1200 В
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 280
  • Запрос Сравнить
  • VVZ175-16IO7

    PWS-E-2

    Производитель: IXYS

  • Трехфазный полууправляемый выпрямительный мост, B6HK
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 208
  • Запрос Сравнить
  • VVZ175-12IO7

    PWS-E-2

    Производитель: IXYS

  • Модули SCR 175 А 1200 В
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 370
  • Запрос Сравнить
  • VVZ110-12IO7

    PWS-E-2

    Производитель: IXYS

  • Модули SCR 110 А 1200 В
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 760
  • Запрос Сравнить
  • VVY40-16IO1

    МОДУЛЬ

    Производитель: IXYS

  • Мостовые выпрямители 40 Amps 1600V
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 206
  • Запрос Сравнить
  • ВС-ВСКТ56 / 16

    ADD-A-PAK (3 + 4)

    Производитель: VISHAY

  • Тиристорный модуль, SCR, Модуль SCR, 60 А, 1600 В, 7-контактный TO-240AA
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 50000
  • Запрос Сравнить
  • ВС-ВСКТ56 / 12

    ADD-A-PAK (3 + 4)

    Производитель: VISHAY

  • Тиристорный модуль, SCR, Модуль SCR, 60 А, 1200 В, 7-контактный TO-240AA
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 500
  • Запрос Сравнить
  • VS-VSKT41 / 12

    ADD-A-PAK (3 + 4)

    Производитель: VISHAY

  • Модуль SCR 1200V 100A (RMS) 890A 7-контактный ADD-A-PAK
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 50000
  • Запрос Сравнить
  • VS-ST380C06C1

    ТО-200АБ (E-PUK)

    Производитель: IR

  • Модули SCR 960 А 600 В 1900 А IT (RMS)
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 12
  • Запрос Сравнить
  • VS-ST230C14C1

    ТО-200АБ (А-ПУК)

    Производитель: VISHAY

  • Модули SCR 1400 Вольт 410 А
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 200
  • Запрос Сравнить
  • VS-ST1280C04K0

    А-24 (К-ПУК)

    Производитель: VISHAY

  • Модули SCR 400 В, 2310 А,
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 200
  • Запрос Сравнить
  • ВСКТ500-12

    МАГН-А-ПАК

    Производитель: VISHAY

  • Модули SCR 1200 В, 500 А
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 20
  • Запрос Сравнить
  • ВСКТ250-12

    3-МАГН-А-ПАК?

    Производитель: VISHAY

  • Тиристоры - диаки, сидаки, тиристоры и симисторы 1200 Вольт 250 А
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 69000
  • Запрос Сравнить
  • ВС-70ТПС12ПБФ

    К-247

    Производитель: VISHAY

  • Тиристор SCR Тиристор с регулировкой фазы 1.2 кВ 1,4 кА, 3 контакта (3 + вкладка) TO-247
  • 1 +
    10 +
    25 +
    50 +
    > = 100

  • Минимум: 1
    На складе: 6394
  • Запрос Сравнить

Сравнение продуктов
(Поддержка сравнения похожих продуктов)

Semiconductor Primer, полупроводники 101

(Или не так много, чтобы вы заметили)


Полупроводниковые материалы

Известно более 600 полупроводниковых материалов.Они могут быть элементами или соединениями, и их удельное сопротивление находится где-то между изоляторами и проводниками. Хорошие проводники имеют удельное сопротивление от 10 -7 Ом · м до 10 -8 Ом · м при комнатной температуре, в то время как удельное сопротивление изоляторов находится в диапазоне от 10 10 Ом · м до 10 14 Ом · м. Полупроводники занимают промежуточное положение с удельным сопротивлением от 10 -6 Ом · м до 10 7 Ом · м, что составляет 14 порядков величины.

Чистые полупроводники ведут себя как изоляторы при 0 ° Кельвина, однако при нормальных температурах, в отличие от металлов, полупроводники имеют отрицательный коэффициент сопротивления из-за увеличения концентрации носителей заряда при повышении температуры, как объяснено ниже.

Свойства, которые делают полупроводники интересными:

  • Контролируемые количества других элементов, ошибочно называемых «примесями», могут быть введены в кристаллическую решетку полупроводника в процессе, известном как «легирование», для изменения его электрических свойств путем создания положительных или отрицательных носителей заряда, выборочно увеличивая его проводимость в допированная область.
  • Электрическое поведение легированного полупроводника может изменяться под воздействием различных внешних раздражителей, таких как тепло, свет, электрические или магнитные поля.
  • Путем легирования точными количествами различных примесей в определенных местах могут быть построены очень маленькие структуры, в которых могут взаимодействовать положительные и отрицательные носители заряда, что позволяет создавать широкий спектр пассивных и активных электронных устройств, которые, в свою очередь, могут использоваться в качестве строительных блоков для создания еще более сложных компонентов.

Энергетические диапазоны

Атомные орбитали

Модель атома Бора говорит нам, что электроны могут иметь только определенные дискретные количества энергии, соответствующие определенным электронным орбитам вокруг ядра атома.Представление об отдельных планетных электронных орбитах вокруг атомного ядра - удобный сокращенный способ объяснения некоторого поведения атома. К сожалению, это неверно. Электроны не следуют определенным траекториям или орбитам вокруг ядра. Принцип неопределенности Гейзенберга говорит нам, что «невозможно определить одновременно с абсолютной точностью как положение, так и импульс электрона» . Другими словами, вы не можете с уверенностью знать, где находится электрон и где он будет дальше.

Электроны, расположенные близко к ядру, могут быть найдены где угодно в концентрических сферических областях пространства, также известных как орбиталей, или иногда оболочек , окружающих ядро ​​атома и центрируемых на нем. Сферические орбитали ближе к ядру известны как орбитали s . Те, что находятся на втором уровне энергии и выше, p , d и f орбитали, могут быть разделены на две или более долей, как воздушные шары, привязанные к ядру, чем дальше от ядра, тем выше уровень энергии. .

σ (сигма) связи - самый прочный тип ковалентной химической связи. Они образуются за счет прямого лобового перекрытия атомных орбиталей, удерживающих вместе молекулу или кристалл.

π (пи) орбитали - это слабые ковалентные связи, где только две шаровидные доли одной вовлеченной атомной орбитали перекрывают две доли другой вовлеченной атомной орбитали. См. Диаграмму связей σ и π .

См. Дополнительную информацию о ковалентном, нековалентном и π-π-связывании.

Электроны имеют состояние с минимальной энергией, и разрешены только определенные дискретные состояния с более высокой энергией, в зависимости от того, на какой орбитали они обитают. Фиксированное количество энергии необходимо для перекачки электрона в более высокое энергетическое состояние или на орбиталь, и когда электрон возвращается в более низкое энергетическое состояние, эта энергия выделяется в виде электромагнитного излучения.Наивысшая занимаемая полоса называется валентной полосой или иногда валентной оболочкой . Это самая внешняя оболочка атома в несоединенном или основном состоянии, и она содержит электроны с наивысшей энергией, то есть те, которые с наибольшей вероятностью объясняют природу любых реакций с участием атома и связывающих взаимодействий, которые он имеет с другими атомами.

Следующая более высокая полоса - это зона проводимости , которая обычно пуста и может быть определена как самая низкая незаполненная полоса энергии.Он отделен от валентной зоны запрещенной зоной , также называемой запрещенной зоной . Эта запрещенная зона представляет собой энергию, необходимую для выбивания электронов из валентной зоны атома в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости не связаны с атомом, из которого они произошли, и могут свободно перемещаться между другими атомами. В любом материале, чтобы возникла проводимость, должны быть доступны электроны в самой высокой энергетической полосе.

Подробнее о Валентности

Полупроводник ведет себя либо как проводник, либо как изолятор, в зависимости от того, есть ли в зоне проводимости свободные электроны.Когда электрон попадает в зону проводимости, он не связывается с ядром и может свободно перемещаться в кристаллической структуре полупроводникового материала под действием электрического поля. Энергия, необходимая электрону для перехода через запрещенную зону, может быть получена за счет тепла или какой-либо формы излучения или электрического поля и обычно выражается в электрон-вольтах (эВ), где 1 эВ эквивалентно 1,6 · 10 -19 Джоулей. (Дж).

В металле минимальная энергия, необходимая для высвобождения электрона с поверхности металла, называется «работой выхода ».Работа выхода - это постоянная, уникальная для каждого элемента.

(Обратите внимание, что запрещенная зона - это разница между двумя уровнями энергии, а не физическим пространством.)

Молекулярные орбитали

Фукуи показал, что электроны, связанные с органических молекул , точно так же, как электроны в атомах, также расположены в энергетических полосах или так называемых «орбиталях» в виде облаков, от простых сфер до ромбовидных форм до сложных многолепестковых форм в зависимости от количество и природа атомов, составляющих молекулу, и сложность модуля..

Как и атомы, уровни энергии молекулы определяются расположением и природой ее орбиталей. Это « самая высокая занятая молекулярная орбиталь» или HOMO и «самая низкая незанятая молекулярная орбиталь» или LUMO .

HOMO аналогичен валентной зоне в полупроводниках, тогда как LUMO аналогичен зоне проводимости, а размер запрещенной зоны между HOMO и LUMO позволяет некоторым органическим молекулам действовать как полупроводники.

Хорошие проводники уже имеют свободные электроны в зоне проводимости, которые могут переносить ток, и небольшую ширину запрещенной зоны, которая позволяет легко накачивать больше электронов в зону проводимости. Металлы имеют положительный коэффициент сопротивления, поскольку тепловое возбуждение электронов увеличивается с температурой и препятствует потоку электронов.

Изоляторы , с другой стороны, имеют широкую запрещенную зону, обычно выше 5 эВ (электрон-вольт), при этом электроны в зоне проводимости отсутствуют.Проводимость может возникать, если используется достаточно сильное поле, чтобы заставить электроны проникнуть в зону проводимости, но это обычно приводит к разрушению изоляционного материала.

Чистые полупроводники имеют мало электронов в зоне проводимости, что делает их плохими проводниками, но их относительно малая запрещенная зона (0,67 эВ для германия и 1,12 эВ для кремния) позволяет повысить их проводимость с помощью внешнего стимула для повышения уровня энергии электроны.Когда это происходит, электрон с более высокой энергией разрывает ковалентную связь между атомами полупроводника, создавая электронно-дырочную пару новых носителей заряда, тем самым увеличивая проводимость полупроводникового материала.

Добавление небольшого количества новых носителей тока путем легирования позволяет кардинально изменить проводимость полупроводника.


Примеры полупроводниковых материалов

Уникальные физические свойства некоторых материалов, которые мы теперь называем полупроводниками, известны уже более ста лет, но только в 1940-х годах материалы были классифицированы как таковые и были объяснены их свойства.Ниже приведены некоторые примеры полупроводников, часто используемых в электронике.

  • Кристаллы сульфида свинца (галенит) были известны своими выпрямляющими свойствами.
  • Селен впервые был использован в 1870-х годах для создания фотоэлементов.
  • Кристаллы карбида кремния (карборунд) были кристаллами, которые использовались с «кошачьим усом» для обнаружения сигналов в ранних радиоприемниках.
  • Германий был материалом, на котором были основаны первые транзисторы. Он имеет низкую температуру плавления, с ним легко работать, а также низкое удельное сопротивление, что помогает в достижении высоких частотных характеристик. К сожалению, он также имеет низкую максимальную рабочую температуру 75 ° C и страдает от присущих ему высоких токов утечки из-за малой ширины запрещенной зоны, составляющей всего 0,67 эВ.
  • Кремний - это материал, который сегодня используется в подавляющем большинстве полупроводниковых устройств.Производственные процессы сложнее, но они могут работать при гораздо более высоких рабочих температурах и меньше страдают от токов утечки. Кремний легко окисляется с образованием диоксида кремния (SiO 2 ), который является изолятором, необходимым для процесса производства планарной конструкции. (Оксид германия растворим в воде, что делает его непригодным для этой цели). Диоксид кремния - это соединение, из которого получают кремний. Это наиболее распространенное соединение в земной коре, которое обычно принимает форму обычного песка, но также существует в виде кварца, горного хрусталя, аметиста, агата, кремня, яшмы и опала.
  • Арсенид галлия обладает высокой подвижностью электронов, что дает ему гораздо лучшие характеристики переключения на высокой скорости, чем у кремния. Он также имеет лучшие характеристики при высоких температурах, но с ним сложно работать и, следовательно, он дороже. Арсенид галлия также используется в производстве светодиодов. Между прочим, галлий - это трехвалентный элемент, а мышьяк - пятивалентный элемент. В то время как большинство полупроводников представляют собой четыре валентных элемента или соединения, арсенид галлия известен как валентный полупроводник III-V.Однако его кристаллическая структура допускает легирование так же, как полупроводник с IV валентностью. Арсенид галлия считается высокотоксичным и канцерогенным веществом.

  • Графен представляет собой кристаллическую решетку углерода толщиной в один атом. Обычно его можно сделать полупроводником с помощью легирования и других средств. Его крошечные размеры и высокая проводимость делают его пригодным для приложений с очень высокими частотами.

Полупроводниковые приборы

Было идентифицировано более 200 структур устройств, и принципы работы могут быть проиллюстрированы на основе некоторых основных типов, показанных здесь.Список не является исчерпывающим, и возможно множество вариаций на эти темы.

Примечание: Следует подчеркнуть, что следующие пояснения являются лишь сокращенным способом представления основных характеристик полупроводников, достаточным для понимания функций устройства, а также компромиссов и ограничений производительности, связанных с конструкциями полупроводниковых устройств. Некоторые второстепенные эффекты были опущены. Кроме того, фактические механизмы, задействованные в функционировании полупроводниковых устройств, намного сложнее и основаны на квантовой физике, учитывающей уровни энергии носителей заряда, их концентрации и распределения в кристаллической решетке полупроводника.


Электроны и дырки

Полупроводниковые материалы, такие как германий или кремний, характеризуются валентной оболочкой, содержащей четыре электрона. Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе, образуя плотные кристаллические структуры без свободных электронов, способных проводить ток.Таким образом, кристаллы чистого кремния являются изоляторами. Однако эти материалы могут быть легированы для создания избытка или недостатка электронов, превращая полупроводник в проводник. Чистый полупроводниковый материал без легирования называется собственным полупроводником. Сильное легирование обеспечивает материалы с низким удельным сопротивлением. Легкое легирование используется для контролируемого высокого удельного сопротивления. См. Диаграмму ниже.

Материалы типа N

Если небольшие количества другого элемента, такого как фосфор или мышьяк, которые имеют пять валентных электронов во внешнем кольце, вводятся в кристаллическую решетку полупроводника, такого как кремний, четыре из пяти электронов связываются с атомами кремния, оставляя один электрон несвязанным. и свободно двигаться.Полупроводники, легированные таким образом, имеют избыток свободных электронов или отрицательных носителей заряда, которые могут проводить ток, и поэтому называются материалами N-типа. В материалах N-типа электроны называются основными носителями, а дырки - неосновными.

Материалы типа P

Аналогичным образом полупроводники можно легировать такими элементами, как бор или индий, только с тремя валентными электронами во внешнем кольце.В этом случае будет нехватка электронов для связи с решеткой кремния, оставляя незаполненные пространства, известные как «дырки». Электроны могут распространяться через кристалл как пузырь, заполняя соседнее свободное отверстие, оставляя отверстие в том месте, которое он только что оставил. Это эквивалентно распространению дыры в обратном направлении. Поскольку дырка - это, по сути, отсутствие электрона в нейтральном материале, она должна иметь положительный заряд. Материалы с такими положительными носителями заряда называются материалами P-типа.В материалах P-типа дырки считаются основными носителями, а электроны - неосновными.

История


P-N переход

В приведенном выше примере атомы фосфора создают избыток электронов в материале N-типа, а атомы бора создают избыток дырок или положительных носителей в материале P-типа. Каждый из этих материалов в отдельности электрически нейтрален.Однако, когда монокристалл легирован в форме перехода, с материалом N-типа с одной стороны и материалом P-типа с другой стороны, электроны притягиваются дырками на другой стороне перехода и мигрируют поперек, чтобы соединиться с их. Это оставляет материал типа N с чистым положительным зарядом, а материал типа P - с чистым отрицательным зарядом. В результате на стыке создается постоянное собственное электрическое поле или "sweeper" . (Эта область, где электроны диффундировали через переход, называется «обедненной областью», потому что она больше не содержит никаких подвижных носителей заряда.Его также называют «областью пространственного заряда».)

Практически все полупроводниковые устройства так или иначе зависят от работы P-N перехода. Самым простым из этих устройств является диод, и мы можем использовать диод, чтобы проиллюстрировать, что происходит на P-N переходе.

История


Диод

Когда диод смещен вперед, приложенное электрическое поле через диод заставляет отрицательные носители заряда (электроны) перемещаться через переход к положительному выводу, а положительные носители заряда (дырки) аналогичным образом перемещаются в другом направлении через переход к положительному выводу. отрицательный терминал.Когда электроны и дырки достигают друг друга, они рекомбинируют, в результате чего через диод протекает ток.

Хотя электроны и дырки текут в противоположных направлениях, ток течет только в одном направлении, потому что носители заряда имеют противоположную полярность.

Когда диод смещен в обратном направлении, приложенное электрическое поле находится в противоположном направлении, и подвижные носители заряда также должны двигаться в противоположном направлении.Электроны по-прежнему движутся к положительному выводу, а дырки - к отрицательному, но на этот раз они движутся в направлении от перехода, истощая его подвижными носителями заряда в непосредственной близости от него и создавая барьер для прохождения дальнейшего электрического тока. Эта узкая область в переходе, лишенная носителей заряда, называется слоем пространственного заряда. Обратное смещение диода также создает обратное напряжение на переходном или обедненном слое с избытком электронов на отрицательной стороне слоя и избытком дырок на положительной стороне, так что слой пространственного заряда действует как заряженный конденсатор.

Однако всегда будет небольшой, проблемный, зависящий от температуры ток утечки через переход из-за высвобождения новых носителей заряда, вызванного тепловым воздействием на полупроводниковый материал, независимо от того, каким образом смещается диод.

светодиодов, солнечных элементов, лазеров и туннельных диодов являются одними из многих версий P-N перехода.


Варакторный диод

Варакторный диод - это устройство с регулируемым реактивным сопротивлением. Увеличение напряжения обратного смещения на P-N-переходе заставляет заряды по обе стороны от слоя обеднения или пространственного заряда дальше друг от друга, эффективно увеличивая его емкость. И наоборот, уменьшение смещения снижает емкость. Это свойство делает варакторный диод идеальным для использования в качестве переменного конденсатора в настроенных схемах. При обратном смещении ток не течет.

История


Диод Шоттки

В диодах Шоттки

используется переход металл-полупроводник вместо перехода P-N, как в обычных диодах.Он электрически подобен PN-переходу, но ток в диоде обусловлен в первую очередь «основными носителями», что означает, что если полупроводниковый корпус легирован N-типом, то ток переносится только носителями N-типа ( подвижные электроны). Здесь нет медленной случайной рекомбинации электронов и дырок. Это приводит как к очень короткому времени переключения, так и к низкому падению прямого напряжения.

Однако тот же эффект приводит к плохим характеристикам напряжения обратного смещения и высоким токам обратной утечки.

Металлические полупроводниковые контакты

Шоттки также могут использоваться для создания не выпрямляющих омических контактов с незначительным сопротивлением, независимо от полярности приложенного напряжения, для подключения к другим устройствам в электронной системе.

История


PIN диод

P-I-N-диод - это P-N-переход с широким собственным (нелегированным) слоем I, зажатым между слоями P и N. Внутренний слой действует как изолятор, обеспечивая высокое обратное напряжение пробоя, высокую мощность и низкую емкость.При низких уровнях обратного смещения обедненный слой полностью истощается, и после полного истощения емкость диода не зависит от уровня смещения, так как в собственном слое остается небольшой чистый заряд.

Когда диод смещен в прямом направлении, оба типа носителей тока вводятся во внутренний слой, где они объединяются, позволяя току течь через изолирующий слой. Значение сопротивления PIN-диода определяется только прямым смещенным постоянным током, что делает его полезным в качестве переменного резистора без искажений на ВЧ- и СВЧ-частотах для приложений с быстрым переключением и аттенюатором

История


Лавинный диод

Эффект лавины вызван пробоем P-N перехода из-за высокого поля обратного напряжения на обедненном слое.По мере увеличения обратного напряжения очень сильное поле на обедненном слое ускоряет любые носители заряда, случайно генерируемые теплом в слое. При этом носители заряда набирают достаточно энергии, чтобы поднять уровни энергии большего количества электронов, когда они сталкиваются с кристаллической решеткой, что приводит к появлению еще большего количества электронно-дырочных пар, создавая эффект самоподдерживающейся лавины и низкое сопротивление через диод. Снятие напряжения отключает ток.


Стабилитрон

Стабилитроны

очень похожи на лавинные диоды (см. Выше), но они не зависят от ускорения носителей заряда, случайным образом генерируемых теплом в обедненном слое.Напротив, сильное электрическое поле непосредственно разрушает связи в кристаллической решетке, создавая электронно-дырочные пары. Практические устройства нуждаются в сильном легировании и очень тонком слое пространственного заряда, который слишком тонкий для ускорения термически генерируемых носителей заряда до энергии, достаточной для начала процесса схода лавины. Таким образом, стабилитроны менее зависимы от температуры, чем лавинные диоды. Регулируя уровни легирования, можно добиться возникновения лавинного эффекта при различных напряжениях, что делает стабилитрон пригодным в качестве устройства сравнения напряжения.

История


Туннельный диод

Подобно лавинным диодам и стабилитронам, туннельные диоды сильно легированы и имеют чрезвычайно узкий слой обеднения или пространственного заряда толщиной менее 5-10 нанометров - всего в несколько атомов в глубину. Точно так же они выходят из строя при обратном смещении, однако, в отличие от двух других устройств, они остаются в пробое в течение небольшой начальной области прямого смещения, при этом ток пробоя накладывается на нормальный прямой ток диода.

По мере увеличения прямого напряжения диод медленно выходит из пробоя, и, следовательно, общий ток уменьшается до тех пор, пока пробой не прекратится, и течет только нормальный прямой ток диода, после чего ток снова начинает расти.

Обычно мы не ожидаем протекания тока пробоя в положительной области, потому что электрического поля недостаточно для преодоления энергетической щели, необходимой для высвобождения электронов в зону проводимости, однако это явление объясняется тем, что электроны действуют как волны, а не как частицы.См. Hund (1927), где показано, как определенное количество электронов будет обладать более чем достаточной энергией, чтобы перепрыгнуть через энергетический зазор, который обычно был бы слишком широким, эффективно туннелируя через барьер, за исключением которого мы обычно ожидаем.

Возможность необычного применения и очень высокие скорости переключения привели к большим ожиданиям от туннельного диода, но трудности в производстве и развитие других полупроводниковых технологий сделали его почти устаревшим.

История


Диод Ганна - устройство с переносом электронов (TED)

Диод Ганна имеет вольт-амперную характеристику, аналогичную туннельному диоду (см. Выше), но зависит от совершенно другого принципа. Он не имеет P-N-перехода, а состоит только из полупроводникового материала N-типа с разными концентрациями легирования в трех различных областях. Две внешние области, соединенные с выводами, сильно легированы азотом, а между ними расположен тонкий слой слаболегированного материала.

Когда на устройство подается напряжение, электрический градиент будет самым большим в тонком среднем слое, потому что он менее легирован и, следовательно, имеет самое высокое сопротивление. В конце концов, этот слой начнет проводить из-за носителей заряда, создаваемых сильным электрическим полем. Однако присутствие носителей заряда снижает его сопротивление и, следовательно, градиент по нему, тем самым предотвращая дальнейшую проводимость. На практике это означает, что диод Ганна имеет область отрицательного дифференциального сопротивления.Как только импульс тока проходит через средний слой, его сопротивление слоя и, следовательно, градиент напряжения на нем снова повышается, позволяя снова возникать проводимость.

Отрицательное сопротивление в сочетании со временем прохождения через промежуточный слой позволяет создать генератор релаксации ВЧ, просто подав соответствующий постоянный ток через устройство. Частота колебаний частично определяется физическими свойствами тонкого среднего слоя, но может контролироваться путем соединения устройства с резонансным контуром или полостью.Из диодов Ганна можно строить генераторы с частотами до терагерцевого диапазона.

История


Диод IMPATT

IMPact Avalanche Transit Time (IMPATT) диоды - это двухконтактные полупроводниковые устройства, которые генерируют ВЧ-мощность, вводя фазовый сдвиг на 180 ° между сигналами тока и напряжения на микроволновых частотах.

На основе вариантов базового соединения P-N или P-I-N, его функции выполняются двумя рабочими областями, областью лавины или областью инжекции, которая создает носители, которые могут быть либо дырками электронов, и областью дрейфа, где носители перемещаются через диод, занимая определенное время в зависимости от его толщины и вольтаж.

Таким образом, IMPATT-диод работает в условиях обратного смещения, близких к порогу лавинного пробоя. Напряжение переменного тока, накладываемое на смещение постоянного тока, вызывает лавинный пробой устройства в течение первой половины каждого цикла переменного тока. Генерация носителей заряда посредством ударной ионизации в течение первого полупериода отстает от приложения входного напряжения, поскольку генерация носителей заряда зависит не только от электрического поля, но и от количества присутствующих носителей.Количество носителей увеличивается по мере увеличения электрического поля и продолжает расти после того, как поле достигнет своего пика, из-за воздействия количества уже существующих носителей. Это продолжается до тех пор, пока поле не упадет ниже критического значения, когда количество несущих начнет падать. В результате этих эффектов генерируемый ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Это известно как задержка фазы впрыска. Дрейф носителей через область истощения во время второго полупериода подвергает носители дополнительной задержке, создавая во внешней цепи импульс тока смещения, который на 180 ° не совпадает по фазе с напряжением.Когда ток и напряжение не совпадают по фазе на 180 °, устройство выдает максимальную мощность переменного тока во внешнюю цепь, а поскольку положительное напряжение создает отрицательный ток, устройство можно рассматривать как отрицательное сопротивление. Этого временного эффекта отрицательного сопротивления достаточно, чтобы на мгновение вывести диод из строя и он используется для генерации и поддержания колебаний.

Диоды

IMPATT могут производить очень высокую мощность на микроволновых частотах, но поскольку они зависят от лавинообразного процесса, им мешает высокий уровень фазового шума, который они создают.

История


Светоизлучающий диод (LED)

Светодиоды

зависят от их влияния на рекомбинацию электронно-дырочных пар и преобразование ковалентных связей в диоде с прямым смещением. Когда электрон возвращается на свой невозбужденный энергетический уровень, он теряет свою избыточную энергию, которая излучается как фотон света. Энергия фотона и, следовательно, цвет света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника. Для получения разных цветов необходимы разные материалы с разной шириной полосы.Эта световая энергия передается от устройства через стороны области перехода. Интенсивность света зависит от скорости рекомбинации носителей заряда и, следовательно, от прямого тока.

Не все полупроводники подходят для изготовления светодиодов - зона проводимости должна находиться непосредственно над валентной зоной для излучения фотонов. По этой причине подходящим кандидатом является арсенид галлия, но не кремний.

История

Органический светоизлучающий диод (OLED)

OLED

работают так же, как обычные диоды и светодиоды, но вместо использования слоев полупроводников n-типа и p-типа для создания электронно-дырочных пар они используют пластиковые пленки, состоящие из органических молекул, для производства носителей заряда.На схеме напротив показаны активные компоненты устройства, которое обычно устанавливается на подложке.

Во время работы источник питания подключается к устройству, заставляя ток течь через устройство от анода к катоду. Таким образом, излучающий слой принимает электроны от катода, в то время как проводящий слой теряет их (или принимает дырки от) анода. Это вызывает накопление отрицательного заряда на излучающем слое, в то время как положительный заряд накапливается на проводящем слое.

Так как положительно заряженные «дырки» более подвижны, чем электроны, они перепрыгивают через границу из проводящего в излучающий слой, где из-за электростатических сил рекомбинируют с отрицательно заряженными электронами. Когда заряды пары электрон-дырка нейтрализуются, их энергия высвобождается в виде импульса излучения с частотой в видимом спектре (другими словами, в виде фотонов или частиц света).

Цвет излучаемого света зависит от величины запрещенной зоны и, следовательно, от типа органических молекул, используемых в устройстве.В качестве альтернативы можно сделать так, чтобы светодиоды излучали цветной свет, добавив цветной фильтр между электродами.

Интенсивность излучаемого света напрямую связана со скоростью, с которой фотоны попадают в решетку полупроводника, и, таким образом, пропорциональна току.

Подробнее об OLED - История и приложения.


Лазерный диод

Сердцевиной лазерного диода является P-N переход, создающий спонтанное излучение фотонов из-за рекомбинации электронных дырочных пар так же, как в светодиодах, описанных выше.Спонтанное излучение необходимо для инициирования лазерной генерации, но оно создает свет со случайной фазой и поляризацией и является источником неэффективности, когда лазер колеблется.

Работа лазера зависит от вынужденного излучения фотонов, а не от спонтанного излучения, которое происходит, когда атом в состоянии высокой энергии или возбужденном состоянии может самопроизвольно вернуться в нижнее состояние.

Вынужденное излучение происходит, когда фотон света взаимодействует с возбужденным атомом, заставляя его вернуться в свое более низкое состояние.Один фотон, взаимодействующий таким образом с возбужденным атомом, приводит к испусканию двух фотонов, что приводит к оптическому усилению. Кроме того, два излучаемых фотона находятся в фазе, что приводит к фиксированному фазовому соотношению между светом, излучаемым разными атомами, что позволяет получать монохроматический и когерентный световой поток. Выходной сигнал дополнительно усиливается за счет подключения лазера к оптическому резонатору некоторой формы, обычно с помощью пары оптически плоских и параллельных зеркал на концах перехода, созданных путем скола и полировки полупроводникового кристалла.Фотоны отражаются назад и вперед между зеркалами, стимулируя дальнейшее излучение во время движения, тем самым увеличивая световой поток. Если расстояние между зеркалами в оба конца является целым числом длин волн, оптическая волна будет усилена.

История


Фотоэлектрический диод - солнечная батарея

Фотодиоды, также известные как фотоэлементы или солнечные элементы, генерируют электрический ток, когда световая энергия достаточной величины попадает на решетку полупроводника вблизи P-N-перехода.Если энергия фотонов в световом пучке меньше ширины запрещенной зоны, энергия просто рассеивается в виде тепла, и электроны не выделяются в зону проводимости, и ток не течет. Однако, если уровень энергии фотонов равен ширине запрещенной зоны полупроводникового материала или превышает ее, это приведет к разрыву ковалентных связей в полупроводнике по мере того, как электроны перескакивают через запрещенную зону в зону проводимости. И электрон, и свободный узел, оставленный электроном в валентной зоне (дырке), затем действуют как свободные носители заряда и вносят свой вклад в возможный ток.Как только фотон вызвал высвобождение электрона, любая энергия фотона, превышающая энергию запрещенной зоны, будет рассеиваться в виде тепла. Таким образом, фотоны будут проходить через кристаллическую решетку до тех пор, пока они не будут поглощены в виде тепла или пока они не отдадут свою энергию, вызывая генерацию электронных дырочных пар и высвобождение электрона через запрещенную зону.

В отсутствие электрического поля электроны и дырки перемещаются, пока не найдут друг друга и не рекомбинируют.Важным требованием для функционирования фотоэлемента является наличие внутреннего электрического поля, которое будет направлять фотовозбужденные носители заряда во внешнюю цепь перед их рекомбинацией. Вышеупомянутое «чистящее поле» в PN-переходе обеспечивает необходимое поле, которое заставляет носители заряда течь через переход, вызывая ток, если через переход подключается внешняя цепь. Электроны будут течь во внешней цепи до тех пор, пока носители заряда, вызывающие поле, не истощатся.Если носители заряда пополняются из-за постоянного освещения, как в фотоэлектрической ячейке, то будет течь непрерывный ток. Протекающий ток напрямую связан со скоростью, с которой фотоны поглощаются решеткой полупроводника, и, следовательно, пропорционален интенсивности света. Выходное напряжение ячейки соответствует напряжению запрещенной зоны и обычно составляет около 0,5 В.

Электроды коллектора тока, используемые в солнечных элементах, являются источником потери эффективности. Чтобы свести к минимуму эти потери, они должны обладать высокими оптическими характеристиками передачи, а также очень высокой электропроводностью.В настоящее время оксид индия и олова (ITO) является наиболее широко используемым материалом для создания этого прозрачного проводящего слоя. Однако среди новых разрабатываемых альтернатив графен с его уменьшенными оптическими потерями при передаче и более высокой проводимостью предлагает наибольший потенциал.

История

  • Практические устройства
  • Наиболее очевидное применение фотоэлементов - улавливание солнечной энергии, но солнечное излучение происходит в широком спектре частот.Следовательно, клетка должна реагировать на различные уровни энергии от инфракрасного излучения (1,1 эВ) до ультрафиолетового излучения (3,5 эВ).

    Помимо этого, каждый из полупроводниковых материалов, используемых для создания фотоэлементов, имеет характерную ширину запрещенной зоны. Для кремния, наиболее распространенного полупроводникового материала, оно составляет 1,1 эВ, а для арсенида галлия - 1,42 эВ с некоторыми вариантами до 1,6 эВ или более.

    Эффективность и компромиссы

    • Теоретический предел эффективности (ширина запрещенной зоны)
    • Построив фотоэлементы из полупроводниковых материалов с очень малой шириной запрещенной зоны, можно будет уловить полный спектр солнечной энергии.К сожалению, напряжение ячейки также будет очень низким, так как оно зависит от ширины запрещенной зоны. Кроме того, материалы с малой шириной запрещенной зоны могут использовать только часть энергии падающих фотонов, которая соответствует ширине запрещенной зоны, для высвобождения электронов в зону проводимости, а избыточная энергия фотонов с более высокой энергией в солнечном спектре расходуется в виде тепла.

      Если вместо этого фотоэлектрическая ячейка построена из материала с большой шириной запрещенной зоны, тогда будет захвачена только энергия фотонов высокой энергии, а вся энергия фотонов низкой энергии будет потрачена впустую.Напряжение элемента будет немного выше, но ток будет намного меньше.

      Таким образом, невозможно охватить весь спектр солнечной энергии с помощью одного полупроводникового материала, а максимальная теоретическая эффективность преобразования для преобразования солнечной энергии в электрическую для конструкций с гомопереходом ограничена примерно 30%, независимо от используемых материалов.

      Однако эффективность более 30% возможна, если устройства сконструированы из более чем одного полупроводникового материала, что позволяет использовать материалы с разной шириной запрещенной зоны для захвата различных частей спектра солнечной энергии.(См. «Устройства с гетеропереходом» ниже)

    • Проникновение
    • Производительность также зависит от глубины проникновения фотонов в кристаллическую решетку.

      Эффективность солнечного элемента ограничена, так как свет не может проникать очень далеко в кристалл полупроводника, что ограничивает его способность достигать потенциальных мест столкновения электронов. Чем дальше стык от поверхности кристалла, тем меньше света он получит.

      Поскольку энергия фотона пропорциональна частоте излучения, высокочастотный синий свет имеет больше энергии (3,1 эВ), чем низкочастотный красный свет (1,8 эВ), поэтому он должен проникать в кристаллическую решетку дальше, чем красный свет. С другой стороны, затухание в кремнии, полупроводниковом материале, наиболее часто используемом в фотоэлектрических элементах, выше для высокочастотного излучения, чем для более низких частот, что благоприятствует красному излучению. Таким образом, способность света проникать в кристаллическую решетку зависит от частоты, а спектральный отклик также зависит от глубины перехода.

    • Отражения
    • Некоторая энергия, падающая на фотоэлемент, также теряется из-за отражений от самого материала и прикрепленных к нему проводников с током.

    • Рекомбинация
    • Фотоэлектрическое действие зависит от использования энергии солнечного излучения для создания электронных дырочных пар в качестве носителей тока, приводимых в действие электрическим полем через диодный переход. К сожалению, не все эти носители тока выходят из полупроводникового прибора.Некоторые электроны сталкиваются с дырами на своем пути через кристаллическую решетку и, таким образом, рекомбинируют, устраняя и то, и другое, тем самым уменьшая пропускную способность устройства по току. Вероятно, это происходит на дефектах, границах или стыках кристалла.

    Сочетание всех этих факторов означает, что КПД для типичных коммерческих устройств может быть менее 20%.

    Устройства с гетеропереходом

    Нет необходимости создавать фотоэлектрический диодный переход из монокристалла, легированного на противоположных сторонах перехода легирующими добавками P или N типа, как в обычном диодном устройстве.Диодный переход может быть изготовлен из двух различных полупроводниковых материалов или полупроводника и металла, как в диоде Шоттки. Для работы в качестве солнечного элемента важным элементом является наличие поля свипера на переходе. Использование двух разных материалов обеспечивает большую гибкость дизайна за счет использования уникальных свойств каждого материала.

    Эффективность может быть повышена за счет объединения многослойных ячеек в так называемые каскадные или тандемные устройства. Верхний слой состоит из тонкого слоя материала с большой шириной запрещенной зоны, а под ним находится слой материала с малой шириной запрещенной зоны.Таким образом, верхний слой будет захватывать фотоны с высокой энергией из ультрафиолетового конца спектра, в то время как инфракрасные фотоны с низкой энергией будут проходить прямо через них, чтобы быть захваченными материалом с малой шириной запрещенной зоны ниже. Однако выбор материалов ограничен необходимостью того, чтобы слои образовывали однородную кристаллическую решетку.

    Напряжение холостого хода батареи представляет собой сумму напряжений холостого хода отдельных ячеек.

    Точно так же верхний слой, сделанный из материала с большой шириной запрещенной зоны, который пропускает большую часть падающих фотонов, может быть оптимизирован для проводимости, что упрощает отвод тока от устройства, в то время как нижний слой, сделанный из материала с малой шириной запрещенной зоны, может быть оптимизирован для поглощения энергии.

    Многопереходные устройства, использующие кремний и арсенид галлия, являются наиболее эффективными солнечными элементами на сегодняшний день, их эффективность достигает 39%. К тому же они самые дорогие.

    Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем (DSSC)

    Ячейки

    DSSC, также известные как ячейки Гретцеля, представляют собой недорогую альтернативу полупроводниковым солнечным элементам. Их работа зависит от электрохимической реакции в активной жидкости, а не от электронной эмиссии в твердотельных светопоглощающих слоях, которые используются в обычных кристаллических и тонкопленочных солнечных элементах.

    Активный светочувствительный материал представляет собой краситель, обычно на основе рутения, который наносится очень тонким монослоем на пористый слой наночастиц диоксида титана (TiO 2 ), площадь поверхности которых в 20-30 раз превышает поверхность монокристалла TiO 2 эквивалентного размера. Слой TiO 2 погружен в йодидный окислительно-восстановительный электролит, который действует как транспортная среда для положительных ионов.Активные материалы помещены между прозрачным стеклянным листом с покрытием Induim Tin Oxide (ITO) (переднее окно ячейки) и задним углеродным контактным слоем со стеклянной или фольгированной подложкой.

    Электронные дырочные пары образуются, когда свет падает на сенсибилизированный краситель. Освободившиеся электроны быстро диффундируют по пленке TiO 2 , прежде чем может произойти рекомбинация, чтобы достичь проводящего стеклянного электрода, где может накапливаться отрицательный заряд.Таким образом, молекулы красителя окисляются, теряя электрон на TiO 2 . Молекулы красителя, за вычетом их внешних электронов и, следовательно, положительно заряженные, затем восстанавливаются путем реакции с ионами йодида в электролите, восстанавливая свое исходное состояние, получая электрон от иодид-иона, в свою очередь окисляя иодид до йода. Затем положительно заряженный йод диффундирует к противоположному электроду. Таким образом, электроны и дырки разделяются, так что заряды могут собираться на разных электродах.Назначение электролита - обеспечить быстрое восстановление молекул красителя, препятствуя рекомбинации электронно-дырочных пар. Этот процесс создает электрическое поле, эквивалентное тому, что есть в полупроводниковом диоде, и называется расщеплением заряда. Если электроды подключены через внешнюю цепь, ток будет течь, чтобы восстановить электролит в исходное состояние.

    Электрическое поле в ячейке Гретцеля прямо пропорционально напряжению ячейки и обратно пропорционально толщине ячейки.Достигнут КПД этих устройств от 7% до 10%. Они предлагают более низкую стоимость, простоту изготовления с использованием процессов шелкографии и другие потенциальные преимущества, такие как гибкие листы солнечных элементов, однако красители в этих элементах также страдают от разрушения под воздействием тепла и ультрафиолетового света.

Термопары на эффекте Зеебека и Пельтье

Полупроводниковые материалы используются для изготовления термопар, которые могут использоваться для выработки электричества с использованием эффекта Зеебека или в качестве охлаждающих устройств с использованием эффекта Пельтье.

Когда тепло подается на одну сторону полупроводниковой термопары, тепловая энергия вызывает выделение носителей заряда в зону проводимости, электронов в материале N-типа и дырок в материале P-типа. Носители заряда, сконцентрированные на горячей стороне устройства, будут отталкиваться друг от друга, в результате чего они будут стремиться мигрировать к холодной стороне устройства.В материале типа N этот поток электронов представляет собой ток, протекающий с холодной стороны на горячую, и движение электронов вызывает накопление отрицательного заряда на холодной стороне с соответствующим положительным зарядом на горячей стороне из-за дефицита электронов там. В материале P-типа миграция отверстий представляет собой ток, текущий в противоположном направлении, и положительный заряд, который должен накапливаться на холодной стороне, и соответствующий отрицательный заряд на горячей стороне.

При соединении переходов металлическими межсоединениями, как показано на схеме выше, во внешней цепи будет течь ток.Генерируемый ток пропорционален градиенту температуры между горячим и холодным спаем, а напряжение пропорционально разнице температур.

Необходимо отводить тепло от холодного спая, иначе миграция носителей заряда выровняет их распределение в полупроводнике, устраняя разницу температур в устройстве, вызывающую миграцию и, следовательно, прекращение тока.

Выработка электроэнергии из теплового потока, проходящего через проводник, известна как эффект Зеебека .

Термоэлектрические генераторы, основанные на эффекте Зеебека, использовались в ядерных батареях, чтобы использовать тепло ядерного распада для производства электроэнергии.

История

Когда напряжение подается на полупроводниковую термопару, любые избыточные носители заряда, присутствующие в полупроводнике, будут притягиваться к клемме с противоположной полярностью.Это механизм протекания тока по проводнику. Таким образом, электроны в материале N-типа мигрируют к положительному выводу, вызывая накопление излишка в области полупроводника рядом с выводом, оставляя дефицит на отрицательной стороне устройства. Подобным образом отверстия в материале P-типа перемещаются к отрицательному выводу. Другими словами, носители заряда перемещаются через материал, ускоряясь при этом из-за электрического поля, создаваемого напряжением между выводами устройства, и их повышенная кинетическая энергия проявляется в виде тепла.

Температура внутри устройства зависит от количества и кинетической энергии носителей заряда. Следовательно, температура будет выше в области концентрации носителей заряда и ниже в области, которую они только что освободили, где плотность заряда, следовательно, ниже. Таким образом, в устройстве возникает температурный градиент, пропорциональный величине приложенного тока. Однако этот температурный градиент может поддерживаться только в том случае, если тепло может быть отведено от горячего спая, в противном случае температура будет стремиться выровняться по всему устройству, и продолжающийся электрический ток приведет к его перегреву.

Тепло, поглощаемое или создаваемое на стыках, пропорционально потоку электрического тока, а константа пропорциональности известна как коэффициент Пельтье.

В отличие от джоулева нагрева (I 2 R) эффект Пельтье обратим в зависимости от направления тока.

Передача тепла от одного конца проводника к другому, вызванная прохождением электрического тока через проводник, известна как эффект Пельтье .

История

Полупроводниковые материалы были использованы в приведенном выше примере для иллюстрации принципов работы термоэлектричества. Однако те же принципы применимы к любым проводникам. Различаются только масштабы эффектов.

Эффект Томсона

Хотя явления эффектов Зеебека и Пельтье были впервые обнаружены в контурах с использованием двух разнородных металлов, фундаментальное явление на самом деле существует в одном проводнике, как позже указал Кельвин и назвал эффект Томсона в его честь.Таким образом, не разнородные металлы генерируют напряжение, а температурный градиент, просто так получилось, что использование разнородных металлов с разными тепловыми свойствами в схемах позволило обнаружить явление.

Транзисторы

Транзисторы с биполярным переходом ( BJT s) сформированы из трехслойного полупроводникового сэндвича с очень тонким средним слоем, образующим два P-N перехода, сконфигурированных как два диода, расположенные спина к спине, как показано на диаграмме справа.При работе один из переходов смещен в обратном направлении, а другой - в прямом. Транзисторы с биполярным переходом названы так потому, что в основном канале проводимости используются как электроны, так и дырки, чтобы проводить основной электрический ток через устройство. Транзистор может действовать как усилитель или переключатель.

Транзистор NPN

В транзисторе NPN внешние слои, которые образуют эмиттер и коллектор, представляют собой полупроводники N-типа, легированные примесью для подачи дополнительных электронов, тогда как тонкий базовый слой, обычно толщиной всего 1 микрон, представляет собой полупроводник P-типа, легированный другой примесью, которая обеспечивает отверстия.

Типичный транзистор NPN питается от положительного напряжения батареи на коллекторе, в то время как эмиттер удерживается под потенциалом земли.

При отсутствии напряжения или отрицательном напряжении на базе между эмиттером и коллектором не может протекать никакой ток, кроме тока утечки, поскольку переход база-коллектор имеет обратное смещение.

Если к базе приложено положительное напряжение, переход эмиттер-база становится смещенным в прямом направлении, и электроны перетекают из эмиттера в базу, но поскольку база очень тонкая и слегка легированная, только несколько электронов рекомбинируют с дырками, а поскольку обратное смещение Переход база-коллектор обеднен носителями заряда, большая часть электронов, попадающих в базу, уносится к положительной клемме коллектора, протекая через обратносмещенный переход.

Важно, чтобы базовая область была как можно более тонкой и как можно более свободной от дефектов, чтобы минимизировать рекомбинационные потери неосновных носителей (в данном случае электронов). Ток, связанный с перемещением электронов, течет в противоположном направлении между коллектором и эмиттером. Таким образом, небольшой ток I (вход) , входящий в базу, может вызвать гораздо больший ток I (выход) , протекающий между коллектором и эмиттером.Другими словами транзистор действует как усилитель .

Транзистор PNP

В транзисторе PNP эмиттер и коллектор сделаны из полупроводников P-типа, а база - из материала N-типа. Он ведет себя аналогично NPN-транзистору, за исключением того, что все потенциалы меняются местами, и электроны движутся в противоположном направлении.

Биполярный переходной транзистор (BJT) теоретически является симметричным устройством и должен работать одинаково, если провода эмиттера и коллектора менялись местами, однако на практике коллектор делают намного больше, чем эмиттер, чтобы улавливать как можно больше носители заряда, обеспечиваемые эмиттером, а также действуют как теплоотвод.

BJT традиционно был предпочтительным транзистором для аналоговых разработчиков, в основном из-за его высокой крутизны (отношение между изменением выходного тока и вызвавшим его изменением напряжения: г м = ΔI out / ΔV in ).

Соединительный транзистор - это устройство с управлением по току, в отличие от устройства, управляемого напряжением, и поскольку диод база-эмиттер смещен в прямом направлении, переходный транзистор имеет недостаток в виде низкого входного импеданса, который нагружает источник сигнала, подключенный к базе транзистора.Напротив, полевой транзистор представляет собой устройство, управляемое напряжением, и не имеет этой проблемы с нагрузкой, поскольку входной диодный переход имеет обратное смещение, обеспечивая очень высокий входной импеданс и потребляя только очень малые токи.

Транзистор как переключатель

Транзистор также является основным строительным блоком цифровых схем.

Когда на базе транзистора нет напряжения (логический «ноль»), транзистор выключен.Между коллектором и эмиттером протекает только ток утечки (по сути, отсутствие тока), а транзистор действует как разомкнутая цепь. Поскольку через нагрузочный резистор нет тока, напряжение на коллекторе будет высоким, таким же, как напряжение питания. В цифровых схемах высокое напряжение на этой выходной точке представляет собой логическую «единицу»

Когда на базу подается положительное напряжение (логическая «единица»), транзистор включается. Импеданс между коллектором и эмиттером падает до низкого уровня, и ток течет через транзистор и нагрузочный резистор.Из-за падения напряжения на нагрузочном резисторе и низкого импеданса транзистора напряжение на коллекторе падает до низкого уровня. Это означает, что выходное напряжение теперь представляет собой логический «ноль».

См. Приложение в логической схеме.

История

Полевые транзисторы

Биполярные транзисторы

- это нормально выключенных устройств : без тока базы они блокируют прохождение любого тока на коллектор.Полевые транзисторы - это , обычно подключенные к устройствам: при нулевом приложенном напряжении затвор-исток они допускают максимальный ток стока. Это униполярные устройства, в которых ток полностью переносится только основными носителями, и контролируемый ток не должен пересекать переход P-N. Внутри полевого транзистора есть P-N переход, но его единственная цель - обеспечить непроводящую область обеднения, которая используется для ограничения тока через канал.

В полевом МОП-транзисторе током затвора можно пренебречь, и несущие в канале - единственные типы, ответственные за протекание тока.

Соединительный полевой транзистор (JFET)

Полевой транзистор с N-канальным переходом выполнен из цельного куска материала N-типа, суженного в середине материалом P-типа, образующего затвор. Между истоком и стоком материал n-типа действует как резистор. Ток состоит из основных носителей (электроны для материала n-типа).

Поскольку затворный переход имеет обратное смещение и поскольку нет вклада неосновных носителей в поток через устройство, входной импеданс чрезвычайно высок.Когда напряжение затвора становится более отрицательным, оно истощает основные носители из суженного пути тока в области затвора, увеличивая его сопротивление и уменьшая ток. Изменение напряжения затвора модулирует ток, протекающий через устройство. Элемент управления для JFET создается за счет истощения носителей заряда из N-канала.

Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) - IGFET
МОП-транзисторы - это транзисторы с изолированным затвором (IGFET), в которых вывод затвора представляет собой металлический слой, расположенный над каналом, но отделенный от него тонким слоем изолирующего диоксида кремния.Этот изолирующий барьер действует как диэлектрический слой конденсатора и позволяет обратному смещенному напряжению затвор-исток влиять на область обеднения электростатически, а не путем прямого соединения. Как и в JFET, изменение напряжения на затворе модулирует проводимость канала, позволяя контролировать ток между стоком и истоком. Изолирующий оксид между затвором и каналом эффективно изолирует полевой МОП-транзистор в одном логическом каскаде от предыдущих и последующих каскадов.

Полевой транзистор с каналом P работает аналогично устройству с каналом N, но с обратным напряжением и с дырками, а не с электронами в качестве основных носителей.

MOSFET используются в подавляющем большинстве цифровых схем. См. Также CMOS

Технология

MOSFET также широко используется для реализации высокомощных переключающих устройств из-за ее высокого входного сопротивления, высокой скорости переключения и термической стабильности.

История


F Транзистор с пассивным затвором

MOSFET-транзистор с плавающим затвором и лавинной инжекцией (FAMOS) является основным строительным блоком, используемым для создания ячеек памяти в энергонезависимых хранилищах данных, таких как флэш-память, EPROM и EEPROM.

В дополнение к нормальному доступу или управляющему затвору эти полевые МОП-транзисторы имеют второй «плавающий» затвор, расположенный между управляющим затвором и полупроводниковой подложкой, встроенный в изолирующий слой и электрически изолированный как от затвора доступа, так и от подложки.

Поскольку плавающий затвор полностью окружен SiO 2 , высококачественным изолятором, он ведет себя как конденсатор, и любой заряд, размещенный на плавающем затворе, предотвращается от утечки, тем самым обеспечивая отличное долгосрочное удержание заряда 10 лет или больше.

Устройство программируется путем подачи импульса высокого напряжения 12 В или более между стоком и управляющим затвором. Поскольку слой SiO 2 очень тонкий, это вызывает лавинообразный пробой изолирующего слоя затвора, позволяя электронам проходить через этот слой SiO 2 к плавающему затвору, придавая плавающему электроду затвора электрический заряд.

Когда плавающий затвор заряжается, он изменяет пороговое напряжение управляющего затвора, запрещая его работу.Таким образом, можно настроить блокировку транзистора в выключенном состоянии, чтобы отличить его от аналогичных транзисторов, которые не были заряжены (запрограммированы). Это свойство можно использовать для обеспечения функции постоянной памяти (ПЗУ). Плавающий затвор может быть восстановлен в незаряженное состояние под воздействием сильного ультрафиолетового света, который вызывает утечку заряда.

Матрицы транзисторов с плавающим затвором в интегральных схемах используются для создания стираемой программируемой постоянной памяти (EPROM). На практике запрограммированный СППЗУ хранит свои данные от десяти до двадцати лет и может быть прочитан неограниченное количество раз.

История

Органический тонкопленочный транзистор

Органический тонкопленочный транзистор (OTFT) очень похож на описанный выше полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET) и работает аналогичным образом с количеством носителей заряда, протекающих между истоком и стоком, которое контролируется Ворота. Однако он полностью изготовлен из органических полимерных материалов, что делает его гибким.

Поскольку его можно изготавливать с помощью процесса печати, несколько транзисторов с соответствующими соединениями могут быть напечатаны на больших гибких полимерных листах.

История


Тиристор или выпрямитель с кремниевым управлением (SCR)

Тиристор представляет собой четырехслойное устройство типа P-N-P-N с различным уровнем легирования для каждого слоя. Катод является наиболее легированным, а затвор и анод менее легированы.Центральный слой N-типа лишь слегка легирован, а также толще других слоев, что позволяет ему поддерживать высокое напряжение блокировки.

При работе тиристор можно рассматривать как транзистор NPN и PNP, соединенные спина к спине, образуя контур положительной обратной связи внутри устройства. Выход одного транзистора подается на вход второго, а выход второго транзистора, в свою очередь, возвращается на вход первого. Небольшой пусковой импульс на затворе включает тиристор, и как только ток начинает течь, он быстро нарастает, пока оба транзистора не будут полностью включены или насыщены, и единственный способ его выключить - это отключить напряжение питания.

Устройство предназначено для работы в качестве переключателя и может выдерживать очень высокие токи.

История

Тиристор выключения ворот (GTO)

Базовая конструкция тиристора страдала тем недостатком, что после включения его нельзя было выключить, если не было снято напряжение питания, так как очень высокий ток очень затруднял отключение по триггеру. Изменяя структуру устройства, можно было использовать один и тот же управляющий вентиль для включения и выключения потока тока.Однако ток затвора, необходимый для выключения устройства, может составлять до 20% анодного тока (нагрузки).

Как и тиристоры, эти устройства могут выдерживать очень высокие токи нагрузки.

Диод Шокли или четырехслойный диод

Диод Шокли - это, по сути, тиристор без затвора. Обычно он обычно непроводящий при подключении к низкому анодному напряжению, но фиксируется, когда подается импульс напряжения, превышающий «переключающее» или «зажигающее» напряжение, и будет продолжать проводить после того, как импульс будет удален, пока анодное напряжение не станет равным. удалено.Первоначально он предназначался для использования в качестве замены реле в приложениях коммутации электросвязи.

История

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

IGBT - это четырехслойное (N-P-N-P) устройство, подобное тиристору, но с каналом с МОП-синхронизацией, соединяющим две области n-типа. Он сочетает в себе низкие потери проводимости BJT со скоростью переключения силового MOSFET. IGBT имеет высокое входное сопротивление и быструю скорость включения, как MOSFET, и демонстрирует напряжение, плотность тока и низкие потери проводимости, сравнимые с биполярным транзистором, но с гораздо более быстрым переключением.В то время как некоторые тиристоры, такие как GTO (выключение затвора), могут отключаться на затворе, требуется значительный обратный ток затвора, тогда как для отключения IGBT требуется только разрядить емкость затвора и обеспечивает более надежное отключение. Хотя скорость включения очень высока, выключение IGBT работает медленнее, чем MOSFET.

IGBT в настоящее время является предпочтительным компонентом для цепей переключения большой мощности и контроллеров двигателей.

История

Интегрированные Схемы

Интегральные схемы обычно классифицируются по функциям схемы, которых много тысяч, или по технологии устройства.Продукция варьируется от относительно простых устройств, состоящих из комбинаций упомянутых выше полупроводниковых структур, до законченных схем, в которых используются буквально миллионы компонентов, построенных на одном кристалле. Далее следуют несколько простых примеров дополнительных возможностей проектирования, которые стали возможными благодаря технологии производства интегральных схем:

Межсоединения и пассивные компоненты

Используя методы легирования, разработанные для диодов и транзисторов, легко создать на полупроводниковой подложке металлические межсоединения, резисторы и конденсаторы, которые можно использовать для соединения активных компонентов в более крупных схемах.

Конденсаторы сформированы из обратно смещенных PN-переходов. Резисторы зависят от омических свойств объема полупроводника, которые могут быть определены путем контролируемого легирования примесями, однако транзисторы с постоянным смещением используются для реализации резисторов с высокой номинальной стоимостью.

Межсоединения зависят от использования планарной конструкции устройства и выполняются с использованием фотолитографии для нанесения металлизированных дорожек поверх изоляционного слоя из диоксида кремния.

История

Комплексные конструкции

Новые устройства могут быть созданы путем использования комбинаций основных полупроводниковых переходов в одном устройстве.Простыми примерами являются транзистор с несколькими эмиттерами и инвертор CMOS.

Несколько дискретных устройств могут быть соединены вместе в схемы для реализации обычно используемых электронных функций в условных стандартных ячейках. Производители полупроводников поддерживают библиотеки ячеек, из которых они могут рисовать отлаженные проекты для создания более сложных схем.

Дополнительный полевой МОП-транзистор (CMOS)

CMOS немного сложнее с P-MOS и N-MOS на одном кристалле.Показанная конфигурация представляет собой инвертирующую схему, которая является основным компонентом логических вентилей КМОП. В любой момент времени только один транзистор находится в состоянии «включено», но поскольку другой находится в состоянии «выключено», ток не может течь в состоянии покоя. Ток протекает только во время переключения, и, таким образом, эта комбинация имеет очень низкое потребление входной мощности, однако это также означает, что ток увеличивается с увеличением тактовой частоты.

Устройства смешанной техники

Можно объединить MOSFET и BJT на одном кристалле, чтобы получить преимущества обеих технологий в одном компоненте.В этом случае обработка цифровых сигналов малой мощности может осуществляться с помощью полевых МОП-транзисторов, в то время как транзисторы BJT обеспечивают высокоскоростное подключение к нагрузке с высоким током. BiCMOS (Bipolar-CMOS) и IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) являются примерами смешанных транзисторных схем.

Сложные схемы

Очевидное предназначение интегральных схем - соединение дискретных компонентов или ячеек для формирования сложных схем, реализованных на одном кристалле.Микропроцессор, вероятно, является наиболее знакомым примером этого, но возможные комбинации бесконечны.

Рабочие характеристики полупроводниковых материалов

  • Полупроводниковые материалы высокой чистоты - Отсутствие нежелательных или неконтролируемых проводящих свойств.
  • Бездефектные кристаллы - Дислокации нарушают структуру прибора.
  • Чрезвычайно тонкие базовые слои транзистора - Помогает перемещению неосновных носителей по базе, снижает емкость устройства и увеличивает верхний предел частоты.
  • Очень маленькие конструкции - Минимизируйте занимаемое устройство.
  • Короткие соединения - сокращение времени прохождения электронов, увеличение частотного диапазона, уменьшение размера кристалла.
  • Большая площадь и масса коллектора - поддержка высокой мощности
  • Возможность работы при высоких температурах
  • Хороший проводник тепла - легкий отвод тепла
  • Низкие токи утечки - переключатели, которые действительно «выключены», когда они должны быть выключены.
  • С готовностью принимает допинг
  • Простота работы - Отсутствие дорогостоящих технологий производства
  • Недорогой материал

Производство

Методы проектирования и создания этих умных полупроводниковых структур требуют инженеров, обладающих знаниями в широком спектре вопросов, от электронных схем и программного обеспечения до оптики, рентгеновской кристаллографии и квантовой теории, и требуют разработки инновационных прецизионных технологий производства и управления процессами.

Ниже приведены некоторые из физических (механических) структур, которые были использованы для реализации электрических структур, упомянутых выше, и производственных процессов, используемых для их достижения:

Польский перевод Наташа Сингх

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *