Тиристоры

1.

ТИРИСТОРЫ
• Тиристор (тринистор) – полупроводниковый
переключатель,
обладающий
как
высоким
напряжением пробоя (до 1000 В и более), так и очень
большим коэффициентом усиления тока (до 1000 и
более).
• Слово тиристор происходит от греческого thyra,
означающего дверь, и указывает на то, что он может
быть открыт (режим насыщения) или закрыт
(режим отсечки).
• Другое
название
прибора
–
кремниевый
управляемый вентиль (КУВ) – указывает на то, что
тиристор ведет себя как диод с дополнительной
возможностью управлять мощностью, подаваемой в
нагрузку.

2.

Анод
Управляющий
Электрод
p
n
p
n
А
А
УЭ
УЭ
К
Катод
p
n
p
n
p
n
К
А
УЭ
К
• Тиристор является четырехслойным кремниевым
полупроводниковым прибором (n-p-n-p).
• Однако его условное графическое обозначение (УГО)
выглядит
как
выпрямительный
диод
с
дополнительным управляющим электродом.
• Четыре слоя тиристора можно рассматривать как
два взаимосвязанных транзистора.

3.

• Эквивалентная схема тиристора представляет
собой триггер на транзисторах n-p-n и p-n-p –
усилитель
постоянного
тока
с
глубокой
положительной обратной связью (два каскада с ОЭ
инвертируют фазу на 360о).
• В исходном состоянии, оба транзистора заперты
(находятся в токонепроводящем состоянии отсечки),
ток через тиристор определяется очень маленьким
тепловым током.
• При увеличении напряжения между анодом и
катодом этот тепловой ток незначительно
увеличивается, но все равно остается пренебрежимо
малым.

4.

• При напряжении на тиристоре, равном пробивному
напряжению одного из коллекторно-базовых
переходов, ток коллектора этого транзистора
протекает через эмиттерно-базовый переход
другого транзистора, приоткрывая его.
• Второй транзистор также открывается, его
коллекторный ток протекает через базо-эмиттерный
переход первого транзистора, еще больше открывая
его. За счет положительной обратной связи
происходит лавинообразный процесс открывания
двух транзисторов (транзисторы переходят в режим
насыщения).
• В этом состоянии тиристор будет находиться до тех
пор, пока напряжение на тиристоре уменьшиться
до нуля (или ток через тиристор станет меньше
минимального
тока
удержания
состояния
насыщения).

5.

I, А
Rнагр
1
8
VD
6
+
E
Uвх
–
R1
4
2
Iудерж. 3
4
100
200
U, В
• На рис. приведена схема включения тиристора, как
электронного ключа.
• Обратный ток управляющего электрода (около 1
мА), протекая через резистор R1 должен создавать
падение напряжения, не более «неотпирающего
напряжения
на
управляющем
электроде»
(примерно 0,2 В).

6.

• Прямое напряжение пробоя тиристора (точка 4 на
ВАХ) должно быть больше положительного
питающего напряжения Е.
• Для отпирания тиристора необходимо подать на
управляющий электрод положительный импульс.
• Ток через тиристор увеличивается лавинообразно
(время включения – единицы мкс) и ограничивается
сопротивлением нагрузки (см. точку 1 на ВАХ).
• Котангенс угла наклона нагрузочных прямых равен
сопротивлению нагрузки Rнагр.
• Падение напряжения на открытом тиристоре 1 ÷ 1,5
В при токе до 10 А.
• Для запирания тиристора необходимо уменьшить
напряжение питания Е.

7.

• Для формирования отпирающих импульсов
часто
используют
четырехслойные
кремниевые полупроводниковые приборы (np-n-p) без управляющего электрода – диодные
тиристоры или динисторы.
R1
UC
Uпробоя
R2
+
VD
С
Uвых
E
–
t
Uвых
Rнагр
t

8.

R1
UR3
VD3
R2
VD1
VD5
UVD2
t
VD2
~220В
VD4
С
VD6
R3
UHL
t
HL
t
• На рис. показана схема регулятора яркости свечения
лампы HL на тиристоре VD2.
• Генератор управляющих импульсов реализован на
динисторе VD1.
• Переменный резистор R2 определяет время заряда
конденсатора до пробивного напряжения динистора.

9.

• Тиристор управляет мощностью лампы, отрезая
начальную часть каждого полупериода (см. третью
осциллограмму).
• Эффективное напряжение на лампе HL может
изменяться при помощи переменного резистора R2 от
нуля
до
практически
полного
входного
напряжения.
• Это зависит от времени запаздывания включения
тиристора VD2 в каждом полупериоде входного
напряжения.
• Поскольку тиристор и динистор работают от
однополярного источника питания, то вся схема
запитана от сети переменного тока 220 В через
мостовой выпрямитель на диодах VD3…VD6.

10.

• Лавинообразное включение тиристора в середине
полупериода приводит к большим броскам тока в
питающей сети переменного напряжения.
• Поэтому на входе схемы желательно включать LCфильтр
низких
частот
для
подавления
электромагнитных радиопомех.
• В электрических нагревателях и в других нагрузках
с большой инерционностью можно значительно
уменьшить помехи, пропуская каждый раз целое
число полупериодов, т.е. включая тиристор при
переходе через нуль входного переменного
напряжения питающей сети.
• Это позволяет избежать скачкообразных изменений
тока, которые и вызывают радиочастотные помехи.
Такой способ называют прерывистым запуском
или управлением с целым числом периодов.
• Этот способ, как правило, не подходит для
управления яркостью лампы из-за мерцания.

11.

• Наличие диодного моста удорожает схему, поэтому
более эффективно использовать для регулировки
переменного напряжения симметричный тиристор
– симистор. В одном корпусе на кристалле кремния
реализовано два встречно включенных тиристора.
Название
катод
и
анод
в
МТ2
симметричном тиристоре теряют
смысл,
поэтому
один
вывод
называется «основной вывод 1» –
УЭ
МТ1, а второй – «основной вывод
МТ1
2» – МТ2.
Аналогично
реализован
в
одном
корпусе
симметричный динистор, который может работать от
двуполярного источника питания и формировать
двуполярные запускающие импульсы для симистора.

12.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
• Фотоэлектрическими
называют
электронные
приборы, преобразующие энергию излучения в
электрическую энергию. Такие приборы могут
строиться на фотоэффекте как в вакууме или газе,
так и в полупроводниках.
• В современных полупроводниковых фотоэлектрических приборах под действием внешнего света
(инфракрасного,
видимого
диапазона
или
ультрафиолетового
излучения)
увеличивается
концентрация свободных носителей заряда, а,
следовательно,
увеличивается
проводимость
полупроводниковых материалов.
• Получаемая таким образом проводимость называется
фотопроводимостью.

13.

• Фоторезистор – полупроводниковый прибор,
электрическое сопротивление которого изменяется
в зависимости от интенсивности и спектрального
состава внешнего светового потока.
При отсутствии внешнего
I
Ф2>Ф1
Iс
светового потока (Ф = 0)
Ф1
Iф
сопротивление фоторезистора велико и определяется
Ф=0
собственной
проводимоIт
стью полупроводникового
U
материала.
Под действием светового потока (Ф > 0) сопротивление
фоторезистора уменьшается. В этом случае ток
называется световым Iс. Разность между темновым и
световым током составляет фототок Iф.

14.

• Фотодиод по структуре аналогичен обычному
полупроводниковому диоду. Отличие состоит в том,
что его корпус снабжен линзой, направляющей
световой поток, как правило, перпендикулярно
плоскости p-n-перехода.
• Фотодиод
может
работать
в
режиме
фотопреобразователя или фотогенератора.
Rн
–
+
Iд
+
–
–
Eп
+
Rн
Uд
Ф=0
Ф1
Ф2>Ф1
Режим
фотопреобразователя
Uхх
Iкз
Режим
фотогенератора

15.

В режиме фотопреобразователя в цепь фотодиода
включают источник напряжения Еп для
обратного смещения p-n-перехода.
• Если переход не освещен (Ф = 0), то через диод
протекает обратный темновой ток.
• При освещении перехода к темновому току
добавляется фототок, значение которого пропорционально интенсивности светового потока (Ф)
и не зависит от приложенного напряжения.

16.

• В режиме фотогенератора фотодиод сам является
источником
фото-ЭДС,
значение
которой
пропорционально интенсивности светового потока.
• Типовое
значение
фото-ЭДС
кремниевого
фотодиода составляет Uхх = 0,5 ÷ 0,55 В, а значение
тока короткого замыкания при среднем
солнечном освещении равно Iкз = 20 ÷ 25 мА/см2.
• На основе последовательного и параллельного
соединения фотодиодов строятся солнечные
батареи для автономного питания электронной
аппаратуры или заряда гальванических аккумуляторов.

17.

• Фототранзистор имеет структуру, аналогичную
структуре биполярного транзистора.
• Световой поток воздействует перпендикулярно
плоскости эмиттерного p-n-перехода, генерируя в
базе пары носителей заряда.
Iк, мА
Ф2 >Ф1
Rн
4
Uвых
+
Eп
Ф1
2
–
Ф=0
5
10 Uкэ, В

18.

• Неосновные для базы носители заряда притягиваются
коллекторным
переходом,
увеличивая
коллекторный ток. Уход из базы неосновных зарядов
создает в ней нескомпенсированный объемный
заряд основных носителей.
• Этот заряд снижает потенциальный барьер
эмиттерно-базового перехода. В результате происходит увеличение количества носителей заряда,
инжектируемых эмиттером в область базы, а,
следовательно, и увеличение коллекторного тока.
• Вольт-Амперные характеристики фототранзистора,
используемого без вывода базы, аналогичны
характеристикам
биполярного
транзистора,
включенного по схеме с ОЭ.
• Отличие состоит в том, что управляющим параметром является не ток базы, а световой поток Ф.

19.

• Внутренний
фотоэффект
в
полупроводнике
используется для построения фототиристоров и
других полупроводниковых фотоприборов.
• Важной характеристикой всех фотоэлектронных
приборов является зависимость фотоэффекта от
диапазона частот светового потока.
• Большинство полупроводниковых фоточувствительных элементов имеют максимальную чувствительность в инфракрасном диапазоне.
• С меньшей чувствительностью они могут работать
и в видимом диапазоне оптического излучения.