Способы запирания динисторов и тринисторов.

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 24Следующая ⇒

Под процессом запирания четырёхслойного полупроводникового прибора понимают переход его из проводящего состояния в запертое. Для этого необходимо уменьшить ток прибора до I_пр< I_уд или разомкнуть анодную цепь, что соответствует I_пр=0. Второй способ запирания заключается в подаче на анод прибора обратного напряжения в течение короткого времени.

Рис.5.11. Способы запирания тринисторов в цепях постоянного тока: а - разрывом анодной цепи; б - шунтированием прибора; в - увеличением сопротивления в анодной цепи; г - коммутирующим конденсатором (рисунок выполнен авторами)

В схеме 5.11, а запирание тринистора происходит при кратковременном нажатии кнопки S1, что размыкает анодную цепь.

Рис.5.11, б тринистор запирается при нажатии шунтирующей кнопки, через контакты которой при этом проходит весь ток нагрузки, а анодный ток становится равным 0. В такой схеме функцию кнопки может выполнять транзистор, отпираемый током базы на время, необходимое на отключение тринистора.

Рис.5.11, в при кратковременном нажатии кнопки последовательно с нагрузкой Rн включается резистор R, сопротивление которого выбирается из условия:

U_п/(R_н+R) = I_пр < I_уд,

U_п - напряжение источника питания;

R_н - сопротивление нагрузки

Рис.5.11, г запирание прибора осуществляется с помощью коммутирующего конденсатора. После отпирания через тринистор протекает ток нагрузки I_пр=U_п/R_н, а коммутирующий конденсатор C через резистор R и открытый тиристор заряжается практически до напряжения источника питания U_c≈ U_п. Продолжительность заряда с момента включения тиристора составляет примерно t_зар≈ 3RC. Если теперь кратковременно нажать на кнопку, то положительная обкладка окажется подключённой к катоду, а отрицательная к аноду. К прибору прикладывается обратное напряжение U_обр≈ U_п. В цепи конденсатора, кнопки и тиристора проходит разрядный ток для тиристора в обратном направлении. Когда результирующий ток тиристора становится меньше I_уд, последний запирается. Вместо кнопки в этой схеме часто используют второй тиристор, на который подаётся сигнал выключения. Показанные на рис 5.11 способы запирания могут использоваться и для динисторов. В устройствах, работающих в цепях переменного тока, для запирания прибора не требуется специального сигнала, так как тиристоры выключаются автоматически в начале очередного отрицательного полупериода на аноде (Петрович В. П., 2008).

Запираемые тиристоры

Запираемые тиристоры, в отличие от тринисторов, которые были рассмотрены ранее, - это полностью управляемые приборы, и под воздействием тока управляющего электрода они могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы выключить запираемый тиристор, нужно пропустить через управляющий электрод ток противоположной полярности, чем полярность, вызывавшая отпирание компонента. Для закрывания изначально открытого запираемого тиристора необходимо уменьшить сумму коэффициентов передачи эмиттерных токов ниже единицы и обеднить базы носителями зарядов, для чего управляющий электрод должен быть распределён по полупроводниковому кристаллу. Для этого управляющий электрод запираемого тиристора, как и катод, выполняют из множества однотипных ячеек, распределённых определённым образом по площади кристалла. Важным параметром рассматриваемых тиристоров выступает коэффициент запирания, который равен отношению тока анода к необходимому для выключения компонента обратному току управляющего электрода. Запираемые тиристоры обычно используют в преобразовательной технике в качестве электронных ключей. Запираемые тиристоры также называют двухоперационными тиристорами. Они являются полупроводниковыми приборами, которые можно и включить и выключить по цепи управления. Такой тиристор в зарубежной терминологии получил обозначение GTO-тиристор (Gate Torn - Off). В областях анода и катода запираемый тиристор состоит из большого числа технологических ячеек, представляющих отдельные тиристоры, которые включены параллельно. Структура запираемого тиристора изображена на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Структура запираемого тиристора (а) и двухтранзисторный эквивалент (б) одной из ячеек тиристора (рисунок выполнен авторами)

Физические процессы, протекающие в запираемых тиристорах, во многом аналогичны уже рассмотренным для однооперационного тиристора. Исключение составляет процесс выключения отрицательным током управления. Во включенном состоянии все переходы тиристора находятся в состоянии насыщения. При достаточной величине и длительности управляющего тока выключения, а также равномерности его распределения по всем ячейкам, избыточная концентрация неосновных носителей заряда сначала снижается до нуля вблизи коллекторного перехода тиристора. При этом коллекторный переход смещается в обратном направлении, воспринимая часть внешнего напряжения. Так, оба транзистора начинают работать в активном режиме, и в структуре возникает положительная обратная связь при отрицательном базовом токе в n-p-n-транзисторе VT2. Вследствие лавинообразного уменьшения зарядов в базовых областях анодный ток начинает снижаться. Транзистор VT2 n-p-n-типа первый входит в режим отсечки. Действие положительной обратной связи прекращается, и дальнейший спад анодного тока определяется рекомбинацией в n- базе тиристора.

Вольт-амперная характеристика запираемого тиристора аналогична характеристике незапираемого тиристора (рис. 5.13).

Рис.5.13. Вольт-амперная характеристика двухоперационного тиристора (рисунок выполнен авторами)

На электрических принципиальных схемах запираемые тиристоры обозначаются условными обозначениями, представленными на рис. 5.14 (Петрович В. П., 2008).

Рис. 5.14. Условные обозначения запираемых тринисторов: а - с управлением по аноду; б - с управлением по катоду (рисунок выполнен авторами)

Симметричные тиристоры

Широкое применение в цепях переменного тока получили так называемые симисторы (симметричные тиристоры), которые выполняются на основе многослойной полупроводниковой структуры (рис. 5.15, а).

Рис. 5.15. Структура симистора -а и его условное графическое обозначение -б (рисунок выполнен авторами)

Основой в симисторе является монокристалл полупроводника, в котором созданы, пять областей с чередующимся типом проводимости, которые образуют четыре p-n-перехода. Контакты от крайних областей наполовину шунтируют первый и четвертый p-n-переходы. При полярности внешнего источника напряжения, указанной без скобок, переход J₁ окажется включенным в обратном направлении и ток через него будет исчезающе мал. Весь ток через полупроводниковую структуру при такой полярности источника будет протекать через область p₁. Четвертый переход J₄ будет включен в прямом направлении и через него будет проходить инжекция электронов. Значит, при данной полярности источника рабочая структура симистора представляет собой p₁-n₂-p₂-n₃-структуру, аналогичную структуре обычного тиристора, работа которого уже была рассмотрена выше. При смене полярности на противоположную (указана в скобках) уже будет закрыт переход J₄, а переход J₁ будет открыт. Структура симистора становится n₁-p₁-n₂-p₂, то есть опять аналогична структуре обычного тиристора, но направленного в противоположную сторону. Таким образом, в схемном отношении симистор можно представить в виде двух встречно-параллельных тиристоров.

Симистор имеет вольт-амперную характеристику, симметричную относительно начала координат (рис. 5.16), что и нашло отражение в его названии (Петрович В. П., 2008).

Рис. 5.16. Вольт-амперная характеристика симистора (рисунок выполнен авторами)

Фототиристоры

Фототиристором называют специальный тиристор, в корпусе которого (в случае дискретного исполнения) предусмотрено окно, в которое вместо подачи сигнала на управляющий электрод подаётся сигнал в виде потока лучистой энергии (рис. 5.17). При облучении всего полупроводникового кристалла, либо только участка между катодом и управляющим электродом тиристора под действием фотонов возникает фотогенерация носителей заряда, и чем интенсивнее будет световой поток, тем больше станет ток, протекающий по тиристору. При достаточной освещённости ток через выводы анод-катод тиристора лавинообразно возрастает, что вызывает открывание тиристора. Длительность включения фототиристоров может достигать несколько микросекунд. Следует отметить, что спектр света, которым облучают полупроводниковую структуру, должен быть согласован с определённой длиной волны, к облучению которой фототиристор максимально чувствителен. Материалом фототиристоров, как и типовых тиристоров, обычно выступает кремний. Редко в качестве основного материала маломощных быстродействующих тиристоров выступает арсенид галлия. Все остальные характеристики такого тиристора аналогичны характеристикам обычного тиристора с электрическим управлением.

Рис. 5.17. Структура фототиристора -а и его условное графическое обозначение -б (рисунок выполнен авторами)

На рис. 5.18 представлена вольт-амперная характеристика фототиристора. Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Сопротивление фототиристора изменяется от 10⁸Ом (в запертом состоянии) до 10^-1 Ом в открытом состоянии. Время переключения тиристоров лежит в пределах 10^-5...10^-6секунды.

Рис. 5.18. Вольт-амперная характеристика фототиристора (рисунок выполнен авторами)

Некоторые фототиристоры позволяют коммутировать токи силой до сотен ампер при напряжениях анод-катод в десятки киловольт и обеспечивают гальваническую развязку системы управления и исполнительной цепи. В результате между устройством управления и фототиристором не нужно включать дорогой, ненадёжный и крупногабаритный высоковольтный трансформатор, который был бы необходим для гальванической развязки обычного тиристора, включённого в цепь с высоким напряжением относительно земли (Москатов, 2010).

⇐ Предыдущая 8 9 10 11 121314 15 16 17 Следующая ⇒