В чем состоят различия принципов действия, характеристик и областей применения транзисторов и тиристоров в электронных аппаратах?

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 7

Тиристорявляется силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 6

Рис. 6. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

На рис. 6, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA, при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG, температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Среди способов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (или естественную коммутацию) и принудительное (или искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

При включении тиристора в цепь переменного тока возможно осуществление следующих операций:

· включение и отключение электрической цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;

· изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток только в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 7, а).

Рис. 7. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б)

Среднее и действующее значения тока варьируются за счёт изменения момента подачи на тиристоры VS1 и VS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт изменения угла и (рис. 7, б). Значения этого угла для тиристоров VS1 и VS2 при регулировании изменяется одновременно при помощи системы управления. Угол называется углом управления или углом отпирания тиристора.

Наиболее широкое применение в силовых электронных аппаратах получили фазовое (рис.8, а, б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 8, в).

Рис. 8. Вид напряжения на нагрузке при: а) – фазовом управлении тиристором; б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией; в) – широтно-импульсном управлении тиристором

Применение тиристоров: Тиристоры широко применяются в устройствах автоматики и электроники в качестве мощных электронных ключей. Они могут выполнять функции: высоковольтных электронных ключей; управляемых выпрямителей; усилителей импульсов; регуляторов мощности в цепях переменного тока; регуляторов скорости вращения электродвигателей; инверторов (преобразователей постоянного тока в переменный) и др.

Важным достоинством тиристорных устройств является очень высокий КПД (более 90%), т.к. тиристор обладает малыми потерями. Падение напряжения на нем не превышает 1, 5 В при любом прямом токе. Мощные силовые тиристоры выпускаются на токи до 2000 А и напряжение до 3000 В.

Транзистором называется преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, предназначенный для усиления мощности электрического сигнала.

Наиболее распространенные получили биполярные и полевые транзисторы. Первые имеют два р-n перехода. В формировании их тока участвуют носители заряда обеих полярностей (знаков), что и объясняет наименование «биполярные». В полевых транзисторах ток формируется носителями одной полярности – электронами или дырками. Поэтому полевые транзисторы достаточно часто называют униполярными. Их рассмотрение будет приведено дальше.

Схематическое изображение структуры биполярных транзисторов приведено на рисунке 9, а.

Рис. 9. Возможные структуры и уловное изображение биполярного транзистора.

Последовательное соединение полупроводника с электронной и дырочной проводимостью, которое необходимо для формирования двух р-п переходов в одном приборе, приводит к образованию либо п-р-п, либо р-п-р структуры. В соответствии с ними биполярные транзисторы бывают либо п-р-п, либо р-п-р типа. Центральная область (а также вывод от нее) называется базой (Б), крайние, имеющие иной тип проводимости по сравнению с базой, - коллектором (К) и эмиттером (Э). К каждой из областей припаяны выводы, при помощи которых прибор включается в схему.

Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным. Конструктивно транзисторы различаются в зависимости от мощности и метода образования р-n переходов. Физические процессы, протекающие в транзисторах обоих типов, аналогичны.

В первом приближении транзистор может быть представлен двумя диодами, с соединенными вместе анодами или катодами (рисунок 9, б). Такое представление является достаточным при рассмотрении режимов работы при двух полностью открытых или закрытых переходах. В графическом условном изображении транзистора (рисунок 9, в) сохранилось, в виде стрелки, обозначение прямого направления эмиттерного п-р перехода.

Для того чтобы транзистор мог эффективно выполнять свои функции, необходимо чтобы:

§ расстояние между переходами было меньше длины свободного пробега неосновных носителей полупроводникового материала базы;

§ концентрация примесей в области базы должна быть существенно ниже (на несколько порядков), чем концентрация примесей в области эмиттера.

Для выполнения первого условия область базы делают тонкой, В некоторых типах транзисторов поле коллекторного перехода простирается вплоть до эмиттерного. Выполнение второго условия обеспечивается технологией изготовления прибора.

В большинстве случаев кристалл с переходами монтируется в специальный корпус, который выполняет следующие функции:

§ изолирует кристалл с переходами от воздействия внешней среды;

§ обеспечивает механическую прочность прибора, отвод тепла, выделяющегося на переходах при работе прибора, а также удобство монтажа прибора.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:

Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим является основным режимом работы транзистора при работе с аналоговыми сигналами.

Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Транзистор в режиме отсечки оказывается запертым.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепи транзистора максимален и практическая не регулируется током входной цени. В этом режиме транзистор полностью открыт.

Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному – прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими ролями – эмиттер выполняет функции коллектора, а коллектор – функции эмиттера. Этот режим, как правило, не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора.

Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме рассмотрим на примере транзистора n-р-n типа. Для этого на эмиттерный переход подадим прямое напряжение (U_бэ), а на коллекторный – обратное (U_кб, рисунок 10)

Рис. 10 - Принцип работы биполярного транзистора

Для отпирания р-п перехода требуется незначительное напряжение, поэтому величина U_бэ небольшая, в то время как обратное напряжение на коллекторном переходе может быть существенно больше. Ток, проходящий через эмиттерный переход, получил название эмиттерного тока. Этот ток равен сумме дырочной и электронной составляющих

І_Эп – составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией электронов из области эмиттера;

І_Бр – составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией дырок из области базы.

В транзисторах, как было сказано выше, концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число электронов, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число дырок, движущихся в противоположном направлении.

Рисунок 11. Статические характеристики транзистора для схемы ОЭ: а – входные; б – выходные

В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии.

В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение.

В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении и не выдерживают обратного напряжения.

Список литературы.

1. Сипайлова Н.Ю. Электрические и электронные аппараты: учеб. пособие / сост.: Н.Ю. Сипайлова. – Томск: Изд-во ТПУ, 2013 с.

2. Электрические аппараты: учеб. пособие / сост.: Н.Ю. Сипайлова, Р.Я. Кляйн, Е.П. Богданов. – Томск: Изд-во ТПУ, 2012. – 88 с.

3. Сипайлова Н.Ю. Электрические и электронные аппараты. Вопросы проектирования электрических аппаратов: учеб. пособие / сост.: Н.Ю. Сипайлова. – Томск: Изд-во ТПУ, 2013.

4. Богданов Е.П. Тиристорное коммутирующее устройство. Методические указания и пример расчета к выполнению курсового проекта по дисциплине «Бесконтактные электрические аппараты». – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 36 с.

5. Чунихин А.А. Электрические аппараты. Общий курс: учебник для вузов. – М.: Альянс, 2008. – 720 с.

6. Электрические и электронные аппараты: учебник для вузов / под ред. Ю.К. Розанова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 752 c.

7. Кляйн Р.Я. Электрические и электронные аппараты: учеб. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2000. – Ч. 1. Физические явления в электрических аппаратах. – 97 с.

8. Основы теории электрических аппаратов / Б.К. Буль [и др.]; под ред. Г.В. Буткевича. – М.: Высш. шк., 1970. – 599 с.

9. Теория электрических аппаратов: учебник для вузов / под ред. Г.Н. Александрова. – М.: Высш. шк., 1985. – 312 с.

10. Основы теории электрических аппаратов / под ред. И.С. Таева. – М.: Высш. школа, 1987. – 352 c.

11. Буткевич Г.В., Дегтярь В.Г., Сливинская А.Г. Задачник по электрическим аппаратам. – М.: Высш. шк., 1987. – 200 с.

12. Родштейн Л.А. Электрические аппараты. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 304 с.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 67