Устройство и принцип действия тиристоров, их применение в современной коммутационной технике.

 

       Тиристором называется электропреобразовательный полупро­водниковый прибор с тремя или более р-п - переходами, исполь­зуемый для переключения, в вольт-амперной характеристике ко­торого имеется участок отрицательного дифференциального со­противления. Преимущества тиристоров следующие: малые масса и габарит­ные размеры, большой срок службы, высокий КПД, малая чув­ствительность к вибрациям и механическим перегрузкам, способ­ность работать при низких (прямых) и высоких (обратных) на­пряжениях, а также при очень больших токах.

       Основное свойство тиристоров, обеспечивающее ему самые разнообразные применения в автоматике, электронике и энерге­тике, — это способность находиться в двух устойчивых состояни­ях: закрытом и открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет де­сятки миллионов Ом и он практически не пропускает ток при напряжениях до 1000В; в открытом состоянии сопротивление тиристора незначительно. Падение напряжения на нем составляет около 1В при токах в десятки и сотни ампер. Переход тиристора из одного состояния в другое происходит за очень короткое вре­мя, практически скачком. Различают управляемые и неуправля­емые тиристоры (тринисторы и динисторы).

       Простейшим тиристором является динистор — неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа р — п—р — п (рис.21). Переход динистора из од­ного состояния в другое осуществляется изменением значения или полярности напряжения на выводах.

Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние р-п- перехо­ды называются эмиттерными, а средний р-п- переход — коллек­торным. Внутренние области структуры, лежащие между перехо­дами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электри­ческую связь с внешней   п- областью, называется катодом, а с внешней р -областью — анодом.

 

Рис. 21

 

       При включении динистора по схеме, приведенной на (рис.21), коллекторный р - п - переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивление открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток.

       Основное применение динисторов — схемы с ключевым ре­жимом работы. Существенным недостатком динистора является невозможность управлять напряжением включения, не изменяя внешнего напряжения. Этот недостаток устранен в управляемом тиристоре (тринисторе), в котором один из эмиттеров сделан уп­равляющим. Возможность управления напряжением переключе­ния в тринисторе осуществляется с помощью подачи напряжения на третий, управляющий, электрод (рис.22).

Рис. 22

 

       Управляющий электрод позволяет с помощью небольшого сиг­нала управления (импульса напряжения) переводить тиристор из закрытого состояния в открытое при неизменном (заданном) на­пряжении на основных электродах. Обратный переход из откры­того состояния в закрытое с помощью управляющего напряже­ния невозможен. Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз тринистора. Использование той или иной базы приводит лишь к изменению полярности источника управляющего напряжения. Полярность управляющего напряжения должна быть такой, что­бы облегчалось включение тринистора.

       Тиристоры изготавливаются из кремния методом сплавления и диффузии или методом последовательной диффузии. Применение кремния при производстве тиристоров объясняется тем, что у кремния токи при обратном включении р-п - перехода меньше, чем у германия. Кремний выдерживает более высокие температу­ры, что способствует более высокой стабильности параметров тиристоров. Промышленность выпускает в основном уп­равляемые тиристоры, поскольку они позволяют управлять на­пряжением включения, что расширяет области их практического применения. По внешнему виду тиристоры напоминают транзис­торы и диоды средней мощности.

       Тиристоры, как и транзисторы, оказались экономически эф­фективными при замене электронно-вакуумных устройств; их при­менение дало возможность решить ряд новых задач в электронике и электротехнике. Во многих случаях схемы с одним и тем же функциональным назначением могут быть собраны как на транзисторах, так и на тиристорах.

       Особой областью применения мощных и сверхмощных тирис­торов является электроэнергетика. Возможность создания малога­баритных, надежных и экономичных статических преобразовате­лей любых параметров тока открывает огромные перспективы для дальнейшего совершенствования систем передачи и распределе­ния электроэнергии, управления электроприводом и другими элек­тротехническими устройствами.

       Маркировка транзисторов и тиристоров осуществляется бук­венно-цифровым кодом. Стоящая на первом месте буква или цифра характеризует исходный полупроводниковый материал: Г (или 1) — германий; К (или 2) — кремний. Стоящая на втором месте буква определяет класс прибора: Т — биполярный транзистор; П — полевой транзистор; Н — динистор; У — тринистор. На третьем месте стоит цифра, определяющая параметры прибора (мощность, ток, диапазон частот). Далее следует двузначное число от 01 до 99, обозначающее номер разработки, и буква, указывающая разно­видность технологического типа.

 

Интегральные микросхемы.

     Транзисторы и другие полупроводниковые устройства благодаря их малым размерам и энергопотреблению сделали возможным уменьшение размеров электронных цепей. Следующим шагом в миниатюризации электронных устройств стали интегральные микросхемы, содержащие целые цепи (рис.23).

 

 

Рис.23

     Интегральная микросхема (ИС) – законченная электронная цепь в корпусе, размером со стандартный маломощный транзистор. Цепь состоит из диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. ИС производят из полупроводниковых материалов и по той же технологии, что и транзисторы. ИС состоит из кристалла полупроводникового материала площадью примерно 1 см². Использование ИС превратило компъютерные системы, которые занимали целые комнаты в портативные аппараты. Из-за малых размеров ИС потребляют малую мощность меньше 1 Вт при напряжении от 5 до 15В и токах в миллиамперы. Они имеют более высокие скорости работы,чем стандартные транзисторные цепи из-за прямой связи внутренних компонентов и уменьшения времени перемещения электронов. ИС более надежны,чем транзисторные цепи и проходят тестирование при сборке и после нее.

     Производство ИС унифицировано, что привело к снижению стоимости электронных устройств. Диоды и транзисторы самые легкие и миниатюрные компоненты ИС. Резисторы и конденсаторы более трудны в изготовлении и занимают больший объем при увеличении сопротивления и емкости. ИС неремонтопригодны, т.к. невозможно разъединить их элементы. Они не могут работать при высоких значениях токов и напряжений. ИС классифицируются по способу изготовления: монолитный, тонкопленочный, толстопленочный и гибридный. Основой(подложкой) ИС служит кремниевая пластина диаметром до 10 см² и толщиной 0,25 мм. На подложке формируются сотни микросхем. После тестирования подложка разрезается на чипы, которые монтируются в отдельный корпус из керамики или пластмассы с двухрядным расположением выводов, как правило (DIP) (рис.24). Размеры ИС зависят от степени интеграции: малой и средней степени, большой степени интеграции (БИС), сверхбольшой (СБИС), Плоские корпуса меньше и тоньше, чем корпуса DIP. ИС используются в диапазоне от -55 до +125^О С.

 

Рис.24

 

 

Контрольные вопросы:

 

1. Какие элементы и материалы относятся к полупроводниковым.

2. Какие типы проводимости присутствуют у полупроводников.

3. Принцип работы р-n перехода.

4. Устройство и назначение полупроводникового диода.

5. Работа однополупериодной схемы выпрямления.

6. Работа двухполупериодных схем выпрямления.

7. Работа трехфазных схем выпрямления.

8. Устройство и назначение полупроводникового транзистора.

9. Назначение сглаживающего фильтра.

10. Устройство и назначение полупроводникового тиристора.

11. Устройство и назначение полупроводниковых микросхем.

 

 

Список литературы и нормативных документов

1. Электротехника / Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников. Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1987.- 528 с.

2. Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехнических специальностей вузов / В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков. Под редакцией В.Г. Герасимова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: В.Ш, 1986.- 336 с.

3. Электротехника: Учеб. пособие / Ф. Г. Китунович, С. Д. Зинчук. –М.:ЗАО «Техноперспектива», 2004. – 357 с.

4. Правила устройства электроустановок. (ПУЭ)