Структура тиристора, принцип действия.

СТРУКТУРА ТИРИСТОРА, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

Диодный тиристор (динистор) – это тиристор, имеющий два вывода, через которые проходит основной ток и ток управления.

В основе структуры динистора лежит четырехслойная p-n-p-n структура.

Рисунок 12.3 - Структура диодного тиристора (а),

двухтранзисторная модель тиристора(b)

Четыре слоя полупроводника образуют три p-n перехода П1, П2 и П3. Кроме них есть еще два перехода: анод («+»-ный электрод p-области; дырки,акцепторные примеси) и катод («-»-ный электрод n-области; электроны, донорная примесь).

Рассмотрим процессы в динисторе при подаче на него прямого напряжения. В этом случае переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными, а переход П2 смещен в обратном направлении и называется коллекторным. Эмиттерные области значительно сильнее легированы примесями, чем базовые.

Участок 1 - Через тиристор протекает ток закрытого коллекторного перехода П2 , который создается неосновными носителями заряда областей р₂ (электронами) и n₁ (дырками).

Рисунок 12.4 – Вольт-амперная характеристика динистора

Участок 2 - При достижении анодным напряжением значения происходит лавинный пробой перехода П2, концентрация неосновных носителей лавинно увеличивается, что приводит к росту анодного тока.

Участок 3 - Носители заряда, поступившие в области n₁ и р₂, не успевают рекомбинирововать и накапливаются: электроны в n₁ области, а дырки - в р₂ области. Появившиеся заряды компенсируют внешнее электрическое поле, наблюдается смена полярности электрического поля, приложенного к переходу П2. Переход П2 открывается, и тиристор переходит в открытое состояние. Этот процесс протекает с большой скоростью, что объясняется положительной внутренней обратной связью.

Анодный ток тиристора складывается из токов коллекторов транзисторов VT1 и VT2

(12.1)

и определяется следующими выражениями:

, (12.2)

, (12.3)

, (12.4)

, (12.5)

где и - дырочная и электронная составляющие обратного тока через переход П2,

- суммарный обратный ток через переход П2,

и - коэффициенты передачи по току транзисторов VT1 и VT2.

Участок 4 - открытое состояние тиристора. Все три p-n- перехода находятся под прямым напряжением. Падение напряжения на открытом тиристоре равно падению напряжения на одном p-n- переходе (диоде), т.к. напряжения на переходах П2 и П3 имеют противоположную полярность и компенсируют друг друга.

Участок 5 - При обратном включении тиристора, когда к аноду приложен положительный полюс, а к катоду - отрицательный полюс источника переходы П1 и П3 оказываются под обратным напряжением, а П2 - под прямым. Через тиристор протекает обратный ток p-n- перехода.

Участок 6 - При превышении обратного напряжения значения происходит возрастания тока. Это объясняется пробоем перехода П1.

Триодный тиристор

В триодном тиристоре, в отличие от диодного введен третий электрод – управляющий (рисунок 12.5).

Рисунок 12.5 - Структура триодного тиристора

В тринисторе можно повысить уровень инжекции через прилегающий к ней эмиттерный переход путем подачи на него дополнительного прямого напряжения. Таким образом, можно добиться переключения тринистора в открытое состояние даже при небольшом анодном напряжении, меньшем U_вкл.

Рисунок 12.6 – Вольт-амперные характеристики триодного тиристора

При увеличении тока управления от до напряжение включения уменьшается. Это объясняется тем, что объемный заряд, смещающий переход П2 в прямом направлении, создается, в основном, за счет тока управления.

Анодный ток триодного тиристора с учетом тока управления определяется выражением

(12.6)

Короткий импульс тока управления вводит в область р₂ положительные носители заряда, переход П2 открывается, возникает значительный анодный ток. Ток управления после открытия тиристора можно сделать равным нулю, но тиристор останется открытым, т.к. объемный заряд поддерживается за счет протекания анодного тока. Чтобы выключить тиристор необходимо сделать анодный ток меньше тока удержания .

 

ПАРАМЕТРЫ ТИРИСТОРОВ.

Статические индукционные транзисторы

АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА.

Автономными инверторами называют преобразователи постоянного напряжения в переменное, работающие на автономную (отдельную) нагрузку, не связанную с питающей сетью.

Самой распространенной схемой АИТ является симметричная мостовая схема (рисунок 18.1).

Рисунок 18.1 - Схема однофазного мостового АИТ

В нее входит инверторный мост на тиристорах VT1….VT4, в диагональ которого включена активная нагрузка и параллельно ей - конденсатор С. Схемным признаком АИТ является наличие дросселя с достаточно большой индуктивностью в цепи источника питания; который обеспечивает постоянство тока, потребляемого от источника постоянного напряжения..

Рисунок 18.2 - Временная диаграмма работы однофазного АИТ

Пусть на интервале 1-2 открыты тиристоры VT1, VT2, тогда нагрузка с параллельным конденсатором будет подключена к источнику тока . Напряжение на нагрузке будет изменяться по экспоненте из-за заряда конденсатора. В точке 2 подается опирающий импульс на VT1 и VT4. Цепь нагрузки оказывается замкнутой накоротко через открытые тиристоры. Возникают два контура разряда: первый контур VT1-VT2, второй контур VT3-VT4. В первом контуре ток разряда протекает на встречу анодному току тиристора VT1, а во втором - на встречу анодному току тиристора VT3. Анодные токи через тиристоры практически мгновенно становятся равными нулю и тиристоры VT1 и VT3 закрываются. Ток начинает протекать через тиристоры VT2 и VT4, направление тока меняется на противоположное. Напряжение на нагрузке из-за наличия конденсатора начинает уменьшаться по экспоненте. Это напряжение прикладывается к тиристорам в обратном направлении в течении времени , которое должно быть больше , что позволяет тиристорам восстановить свои запирающие свойства. В противном случае, после прохождения напряжения через ноль может произойти повторное включение тиристоров VT1 и VT3, тогда все четыре тиристора окажутся открытыми. Это явление является аварийным и называется опрокидыванием инвертора.

Форма, значение выходного напряжения и время отводимое на запирание тиристоров , зависят постоянной времени разряда конденсатора через резистивную нагрузку .

Рассмотрим процесс разряда емкости под действием тока

Рис.3. К определению времени отводимого на закрытие тиристора

В соответствии с эквивалентной схемой (рисунок 18.13,а) запишем

; . (18.1)

Решая полученное дифференциальное уравнение, получим

, (18.2)

где начальное напряжение на конденсаторе при

Если , то, как видно из рисунка 18.3,b

, а при , . (18.3)

Подставляя в предыдущее выражение, получим

, (18.4)

. (18.5)

Пользуясь последним выражением, найдем , как момент когда

, (18.6)

. (18.7)

При увеличении сопротивления нагрузки увеличивается амплитуда напряжения на нагрузке и время, отводимое на закрытие тиристора (рисунок 18.3,b) и наоборот.. Оба случая нежелательны, т.к. при больших возможен пробой тиристоров, а при малых значениях может произойти опрокидывание инвертора.

Выпрямители

Выпрямителем называют устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное напряжение. А точнее в однополярное, т.к. напряжение на выходе выпрямителя представляет собой однополярные импульсы косинусоидальной формы. Выпрямители подразделяются:

- по количеству фаз на однофазные, трехфазные и многофазные;

- по схемному решению на выпрямители с нулевой (средней) точкой и мостовые;

- по мощности на выпрямители малой, средней и большой мощности, хотя последнее разделение весьма условно.

Выпрямители большой мощности (сотни киловатт) применяются в электроприводе постоянного тока, в системах возбуждения электрических машин, в системах управления и регулирования электрической тяги на железнодорожном транспорте, при передаче электроэнергии постоянным током на дальние расстояния.

 

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Значительные пульсации выпрямленного напряжения не позволяют его использовать для непосредственного питания электронной аппаратуры. Для уменьшения коэффициента пульсации используют сглаживающие фильтры. В зависимости от элементов, которые входят в их состав, фильтры подразделяют на простые фильтры С, L, Г-образные RC, LC и комбинированные CRC, CLC. Наличие сглаживающего фильтра оказывает существенное влияние на работу выпрямителя, нагрузкой которого он является. Нагрузка может носить резистивно-емкостный или резистивно-индуктивный характер.

 

ИНДУКТИВНЫЙ ФИЛЬТР

Для уменьшения пульсаций тока и напряжения последовательно с нагрузкой подключают катушку индуктивности (дроссель). В этом случае нагрузка выпрямителя носит резистивно-индуктивный характер. Аналогичный характер нагрузки получим, используя выпрямитель для питания машины постоянного тока. Схема однофазного выпрямителя со средней точкой с резистивно-индуктивной нагрузкой и временная диаграмма его работы показаны на рисунках 11.11 и 11.12.

Рисунок 11.11 - Схема однофазного выпрямителя со средней точкой с резистивно-индуктивной нагрузкой

 

Рисунок 11.12 - Временная диаграмма работы выпрямителя

 

На интервалах времени (0-1) и (1-2) поочередно открываются соответствующие диоды VD1 и VD2. Напряжение формируется как сумма положительных полуволн напряжений и . Из-за влияния индуктивности дросселя ток в цепи получается сглаженным. Под действием индуктивности ток не спадает до нуля при нулевых значениях напряжения . Дроссель в момент нарастания тока запасает энергию, а за тем отдает ее в нагрузку, поддерживая ток на неизменном уровне. Если индуктивность настолько велика, что ток остается постоянным, а анодные токи , диодов имеют форму прямоугольных импульсов. Ток , потребляемый из сети, имеет форму разнополярных прямоугольных импульсов.

Напряжение на нагрузке повторяет форму тока, а среднее значение напряжения на нагрузке , т.к. постоянная составляющая напряжения практически без потерь передается через дроссель, который имеет малое активное сопротивление.

Среднее значение тока в нагрузке , а среднее значение тока через диод

Индуктивность как самостоятельный фильтр в источниках питания используется редко, чаще в составе сложных фильтров.

 

 

СТРУКТУРА ТИРИСТОРА, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

Диодный тиристор (динистор) – это тиристор, имеющий два вывода, через которые проходит основной ток и ток управления.

В основе структуры динистора лежит четырехслойная p-n-p-n структура.

Рисунок 12.3 - Структура диодного тиристора (а),

двухтранзисторная модель тиристора(b)

Четыре слоя полупроводника образуют три p-n перехода П1, П2 и П3. Кроме них есть еще два перехода: анод («+»-ный электрод p-области; дырки,акцепторные примеси) и катод («-»-ный электрод n-области; электроны, донорная примесь).

Рассмотрим процессы в динисторе при подаче на него прямого напряжения. В этом случае переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными, а переход П2 смещен в обратном направлении и называется коллекторным. Эмиттерные области значительно сильнее легированы примесями, чем базовые.

Участок 1 - Через тиристор протекает ток закрытого коллекторного перехода П2 , который создается неосновными носителями заряда областей р₂ (электронами) и n₁ (дырками).

Рисунок 12.4 – Вольт-амперная характеристика динистора

Участок 2 - При достижении анодным напряжением значения происходит лавинный пробой перехода П2, концентрация неосновных носителей лавинно увеличивается, что приводит к росту анодного тока.

Участок 3 - Носители заряда, поступившие в области n₁ и р₂, не успевают рекомбинирововать и накапливаются: электроны в n₁ области, а дырки - в р₂ области. Появившиеся заряды компенсируют внешнее электрическое поле, наблюдается смена полярности электрического поля, приложенного к переходу П2. Переход П2 открывается, и тиристор переходит в открытое состояние. Этот процесс протекает с большой скоростью, что объясняется положительной внутренней обратной связью.

Анодный ток тиристора складывается из токов коллекторов транзисторов VT1 и VT2

(12.1)

и определяется следующими выражениями:

, (12.2)

, (12.3)

, (12.4)

, (12.5)

где и - дырочная и электронная составляющие обратного тока через переход П2,

- суммарный обратный ток через переход П2,

и - коэффициенты передачи по току транзисторов VT1 и VT2.

Участок 4 - открытое состояние тиристора. Все три p-n- перехода находятся под прямым напряжением. Падение напряжения на открытом тиристоре равно падению напряжения на одном p-n- переходе (диоде), т.к. напряжения на переходах П2 и П3 имеют противоположную полярность и компенсируют друг друга.

Участок 5 - При обратном включении тиристора, когда к аноду приложен положительный полюс, а к катоду - отрицательный полюс источника переходы П1 и П3 оказываются под обратным напряжением, а П2 - под прямым. Через тиристор протекает обратный ток p-n- перехода.

Участок 6 - При превышении обратного напряжения значения происходит возрастания тока. Это объясняется пробоем перехода П1.

Триодный тиристор

В триодном тиристоре, в отличие от диодного введен третий электрод – управляющий (рисунок 12.5).

Рисунок 12.5 - Структура триодного тиристора

В тринисторе можно повысить уровень инжекции через прилегающий к ней эмиттерный переход путем подачи на него дополнительного прямого напряжения. Таким образом, можно добиться переключения тринистора в открытое состояние даже при небольшом анодном напряжении, меньшем U_вкл.

Рисунок 12.6 – Вольт-амперные характеристики триодного тиристора

При увеличении тока управления от до напряжение включения уменьшается. Это объясняется тем, что объемный заряд, смещающий переход П2 в прямом направлении, создается, в основном, за счет тока управления.

Анодный ток триодного тиристора с учетом тока управления определяется выражением

(12.6)

Короткий импульс тока управления вводит в область р₂ положительные носители заряда, переход П2 открывается, возникает значительный анодный ток. Ток управления после открытия тиристора можно сделать равным нулю, но тиристор останется открытым, т.к. объемный заряд поддерживается за счет протекания анодного тока. Чтобы выключить тиристор необходимо сделать анодный ток меньше тока удержания .

 

ПАРАМЕТРЫ ТИРИСТОРОВ.