Вольтамперная характеристика тиристора

Принцип работы, электрическая схема, вольтамперная характеристика тиристора.

Назначение, классификация, обозначения на электрических схемах тиристоров

Тиристоры

Интегральные микросхемы

Тиристоры

Тема 9. Элементная база современных электронных устройств

Раздел 4. Электроника

9.5.1. Назначение, классификация, обозначения на электрических схемах тиристоров

9.5.2. Принцип работы, электрическая схема, вольтамперная характеристика тиристора.

9.6.1 Гибридные интегральные микросхемы

9.6.2 Полупроводниковые интегральные микросхемы

ЛИТЕРАТУРА

[4] Дроздов В.В. Общая электротехника и электроника. Часть2. Основы электроники. М., МГТУ ГА, 2005 г. с. 32…40.

[8] Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М., «Академия», 2007 г. с. 249…252.

[9] Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника. Ростов на Дону, «Феникс», 2005 г. с. 113…125, 154…157.

Раздел 4. Электроника (продолжение)

Тема 9 Элементная база современных электронных устройств

Тиристор –это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более р – n-переходов, которые могут переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

При работе в схеме тиристор может находиться в двух состояниях:

- Закрытое состояние (включен), тиристор имеет высокое сопротивление и пропускает малый ток;

- Открытое состояние (выключен), сопротивление тиристора мало и через него протекает большой ток.

Тиристор, имеющий структуру р-n-р-n и только два вывода: анод и катод, называется диодным тиристором или динистором (рис.1).

Рис.1

Тиристор, имеющий структуру р-n-р-n и два основных и один управляющий выводы, называется триодным тиристором или тринистором (Рис2). Выводы у тринистора называются как у БТ (Э.К и Б).

Рис.2

Помимо четырехслойных структур некоторые виды тиристоров имеют большое число полупроводниковых областей. К таким приборам относится симистор. Симистор имеет структуру из пяти и более слоев и используется в цепях переменного тока как двусторонний ключ.

Контакт, присоединенный к внешнему р₁-слою, называется анодом (А), а к внешнему n₂-слою – катодом(К). Анодная р₁ и катодная n₂-области иногда называются соответственно р- и п- эмиттерами. Области типа n₁и р₂,расположенные между анодом и катодом, называются б а з а м и.

На рис. 3. представлена классификация и условное графическое изображение тиристоров.

Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя р-n – переходами П₁, П₂, и П₃ (рис. 4).

Напряжение питания подается на тиристор таким образом, что переходы П₁, и П₃ оказываются открытыми, а переход П₂ – закрытым. Так как сопротивление открытых переходов незначительно, то почти все питающее напряжение приложено к закрытому переходу П₂, имеющему высокое сопротивление. Следовательно, ток тиристора мал.

При повышении напряжения источника э.д.с. Е первоначально ток тиристора увеличивается незначительно, пока прямое напряжение U_пр не приблизится к некоторому критическому значению, которое равно напряжению включения U_вкл, показанному на вольт – амперной характеристике (рис.6).

После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда за счет лавинного умножения носителей заряда в р-n – переходе П₂ движущимися электронами и дырками. С увеличением количества носителей заряда ток в переходе быстро нарастает так как электроны из слоя n₂ и дырки из слоя р₁ устремляются в слои р₂ и n₁ и насыщают их неосновными носителями зарядов. После "нормального" пробоя напряжение на тиристоре падает до величины 0,5…1 В. При дальнейшем росте анодного напряжения ток в тиристоре растет почти как у открытого диода.

Тиристор обладает в некотором диапазоне напряжений отрицательным дифференциальным сопротивлением R_диф.

Понятия статических и динамических (дифференциальных) сопротивлений

На рис. 5. показана вольт – амперная характеристика(ВАХ) нелинейного элемента (тиристора).

Статическое сопротивление:

Дифференциальное (динамическо)е сопротивление:

,

где m_U и m_I – масштабы по оси напряжения и тока.

В исходном состоянии на анод подается положительное относительно катода напряжение Е. В зависимости от напряжения на аноде и тока, протекающего через прибор, можно выделить несколько режимов работы. Эти режимы соответствуют определенным участкам вольт-амперной характеристики тиристора (рис.6)

В основном, интерес представляет вольт – амперная характеристика, изображенная в первом квадранте, т.е. при прямом напряжении тиристора.

Режим прямого запирания (участок ВАХ 0А). Эта область соответствует закрытому состоянию тиристора (включен).

При увеличении прямого напряжения от нуля до точки А на вольт – амперной характеристике ток тиристора растет незначительно и это объясняется двумя противоположными процессами: через переходы П₁ и П₃, находящиеся под прямым напряжением, проходят основные носители заряда, а через переход П₂, находящемся под обратным напряжением, проходят неосновные носители заряда.

Режим электрического пробоя (В точке А) происходит лавинообразное увеличение основных носителей заряда и пробой перехода П₂, однако, этот пробой не несет разрушительного действия и при снятии напряжения тиристор вновь обретает свои эксплутационные характеристики и параметры.

Режим прямой проводимости (участок ВАХ от В…+∞.)соответствует открытому состоянию тиристора (выключен). Переходя скачком в точку В вольт ‑ амперной характеристики, в дальнейшем тиристор ведет себя как открытый диод с малым внутренним сопротивлением.

Напряжение в точке Вназывается напряженим удерживания U_уд, а ток – током удерживания I_уд. U_ynи I_уд – минимальные напряжение и ток, необходимые для удержания тиристора в открытом состоянии.

Напряжение включения, которое может достигать сотен и тысяч вольт, может быть снижено за счет введения через управляющий электрод неосновных носителей заряда, когда начинается лавинообразный процесс. В слой р₂ через управляющий электрод подается управляющее напряжение от независимого источника питания. Время восстановления тиристора (переход от включенного состояния в выключенное и наоборот) составляет 10…30 мкс.

Важным параметром триодного тиристора является отпирающий ток управления I_{упр.вкл}– ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние.

Режим обратного запирания (участок ВАХ О…–∞).В этом режиме напряжение на аноде отрицательно, через тиристор протекает малый обратный ток.

В симметричных диодных и триодных тиристорах обратная ветвь ВАХ совпадает с прямой, что достигается встречно-параллельным включением двух четырехслойных структур.

В настоящее время в промышленной электронике выпускаются тиристоры на токи до 2000 А и напряжения включения до 4000 В.

Область применения:

Тиристоры используются в в коммутационной аппаратуре. На железнодорожном транспорте нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, они применяются как управляемые бесконтактные переключатели, обладающие выпрямительными свойствами. В инверторах являются преобразователями постоянного напряжения в переменное.

Система обозначения тиристоров

В основу системы обозначений тиристоров буквенно-цифровой код в соответствии с ОСТ 11336.319-81.

- Первый элемент: исходный полупроводниковый материал

(К(2)-Si Г(1)-Ge).

- Второй элемент буква Н или У

«Н» -неуправляемый (динистор);

«У»- управляемый (тринистор).

- Третийэлемент: определяет мощность прибора;

«1» - малой мощности;

«2» - средней мощности;

«3» - большой мощности.

- Четвертый элемент: число, определяющее порядковый номер разработки данного типа прибора.

- Пятый элемент: буква, условно обозначает классификацию по параметрам приборов, изготовленных по данной технологии.

Пример:

КН102А; К-кремниевый, Н- динистор, 1- малой мощности,02- вторая разработка, А- группа параметров;

2У2053: 2- кремниевый, У – тринистор, 2- средней мощности, 05- пятая разработка, В- группа параметров.

Параметры и характеристики тиристоров

Тиристоры характеризуются рабочими параметрами и предельно-эксплуатационными характеристиками. Значение этих величин приводится в справочниках.

Рабочими параметрами тиристоров являются:

1) U_прк –напряжение переключения:

Прямое напряжение, при котором переключается прибор;

2) U_про – напряжение обратного пробоя:

Максимальное обратное напряжение, при котором прибор переходит в состояние лавинного пробоя;

3) U_ос- постоянное напряжение в открытом состоянии:

Падение напряжения на прибор в открытом (проводящем) состоянии;

4) I_ос – постоянный ток в открытом состоянии:

Ток, протекающий между анодом и катодом в открытом (проводящем) состоянии;

5) ток удержания:

Минимальный ток, при котором прибор удерживается в открытом состоянии.

6) I_вкл- ток включения;

Минимальный ток, необходимый для сохранения открытого состояния тринистора после перехода из закрытого состояния при отключенном управляющем сигнале;

7) I_уот -отпирающий постоянный ток управления;

Минимальный управляющий ток, необходимый для переключения тиристора из закрытого состояния в открыток;

8) U_уот – отпирающее постоянное напряжение уравнения:

Управляющее напряжение, необходимое для обеспечения требуемого управляющего тока;

9) t_вкл – время включения по управляющему электроду:

Время, требуемое для включения прибора;

10) t_выкл- время выключения:

Время, требуемое для выключения прибора;

11) du/dt – критическая скорость подъема напряжения6

Скорость изменения напряжения, приложенного к аноду или управляющему электроду в закрытом состоянии, при превышении которой может произойти включение тиристора.