Презентация "Основы электроники. Тиристоры."

Слайд #1

Лекция
Тиристоры

Слайд #2

https://www.youtube.com/watch?v=ExnFWLJ7MR8
Фотоэлектронные явления

Слайд #3

Тиристоры
Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p-n-переходами
В зависимости от числа выводов тиристоры делят на
диодные (динисторы), имеющие два вывода - от анода и катода,
триодные (тиристоры), имеющие выводы от анода, катода и одной из баз,
тетродные, имеющие выводы от всех областей.

Слайд #4

Тиристоры
В процессе работы тиристор может находиться в одном из двух возможных состояний. В одном их них тиристор выключен или закрыт. В этом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и ток в нагрузке практически равен нулю.
Во втором состоянии тиристор включен или открыт. В этом состоянии тиристор имеет малое сопротивление и ток в цепи определяется сопротивлением нагрузки.

Слайд #5

Устройство тиристора

U

A

Катод

УЭ1

П1

П3

П2

Управляющие

электроды

УЭ2

Анод

R

н

n
1

n
2

p
1

p
2


p-n
-

переходы
Iа
– +

Слайд #6

Контакт к внешнему p-слою называют анодом, а к внешнему n-слою - катодом. Внутренние области р- и n-типа называют базами. Выводы от баз образуют управляющие электроды УЭ1 и УЭ2.
Рассмотрим физические процессы в тиристоре, для чего представим его в виде двух биполярных транзисторов
П3
p
p
p
n
n
n
VT1
VT2
Анод +
VT1
VT2
Анод
Катод
Катод -
П1
П2
П2
Iа
Iк
I

б1
=
I

к2
I

к1
=
I

б2
α1
α2

Слайд #7

На физические процессы в тиристоре основное влияние оказывают два фактора: зависимость коэффициента передачи по току  от тока эмиттера и лавинное умножение носителей в обеднённом слое коллекторного перехода, обусловленное наличием положительной обратной связи.
При положительном напряжении на аноде крайние переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а центральный переход П2 - в обратном.
Этот переход является коллектором для обоих транзисторов.
Через переход П1 будет протекать ток инжекции
дырок и электронов I1 = I1p + I1n,
через переход П3 ток I3 = I3p + I3n.
Динистор

Слайд #8

Структура динистора

Слайд #9

Динистор
Через коллекторный переход П2 потечет ток, обусловленный дырочной и электронной составляющими.
I2p = I1·1, I2n = I3·2,
a также обратный ток коллектора Iко = Iкор + Iкоn
Общий ток I2 = I1·1 + I3·2 +Iко.
Токи через переходы, включенные последовательно,
должны быть одинаковы I1 = I2 = I3 = I
I =
Iко
1 – (1 + 2)
Обратный ток коллектора описывается
экспоненциальной зависимостью.

Слайд #10

Динистор
Пока напряжение на аноде относительно не велико, ток динистора
будут определяться обратным током коллектора.
При этом (1 + 2) << 1.
При увеличении напряжения и достижения им напряжения пробоя начинается процесс ударной ионизации умножения носителей n- и р-. В базе они накапливаются и уменьшают потенциальный барьер. Увеличиваются токи эмиттеров, увеличивается ток коллектора, при этом увеличиваются коэффициенты , что ведет к дальнейшему увеличению токов. Включается положительная обратная связь.
При (1 + 2) 1 ток увеличивается до бесконечности.
Это означает, что коллекторный переход открылся, его
сопротивление уменьшилось, уменьшилось напряжение
на динисторе до 0,5 – 1,0 В.

Слайд #11

Динистор
Вольт-амперная характеристика динистора
Ia
Ua
Uвкл
Динисторы применяются в быстродействующих системах защиты схем, нагрузки от перенапряжения.
При превышении напряжением на аноде Uвкл динистор включается и напряжение на нем уменьшается до 0,5 – 1,0 Вольта.

Слайд #12

Тиристор
Тиристор имеет дополнительный вывод от одной из
баз эквивалентного транзистора. Электрод называется управляющим. Управление может быть по катоду или по аноду.
Управление по катоду
р1
n1
p2
n2
R
A
K
Uу
УЭ
Iу
+ Еа
I =
Iко
1 – (1 + Iу·2)
Если Iу = 0, то тиристор работает
как динистор.
При Iу > 0, тиристор
включается при меньшем
напряжении на аноде.

Слайд #13

Тиристоры
Вольт-амперная характеристика тиристора
Ia
Ua
Uвкл
Iу = 0
Iу > 0
Iу > 0
′
′′
I у >
′′
I у
′
Uоткл
Iвкл
Uобр
Ра.доп
Iа.доп
Параметры:
- Uвкл,
- Iвкл
- Uоткл
- Uобр
- Iа.доп
- Ра.доп
- tвкл
- tвыкл
Включенный тиристор с помощью тока управления выключить нельзя.
Для выключения тиристора необходимо уменьшить напряжение на аноде до напряжения отключения или ток анода меньше тока включения.

Слайд #14

Симисторы
В силовой преобразовательной технике широко используются симметричные тиристоры – симисторы, триаки. Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, включенных встречно-параллельно.
Их особенность состоит в том, что они управляемые как при положительном, так и при отрицательном напряжениях на анодах.
Условное графическое обозначение симистора

Слайд #15

Симисторы
Структура симистора

Слайд #16

Симисторы
Вольт-амперная характеристика симистора
Ia
Ua

Слайд #17

Классификация и система обозначений
В основу обозначений тиристоров положен буквенно-цифровой код
Первый элемент – исходный материал.
Второй элемент – вид прибора:
Н – диодный тиристор – динистор (неуправляемый),
У – триодный тиристор – (управляемый).
Третий элемент обозначает основные функциональные возможности прибора и номер разработки
От 101 до 199 – диодные и незапираемые триодные тиристоры малой мощности,
От 401 до 499 – триодные запираемые тиристоры средней мощности,
Iср до 10 А.
Четвертый элемент – буква – обозначает типономинал прибора.

Слайд #18

Графическое обозначение тиристоров
Динистор Тиристор Симистор
управление по катоду
и по аноду
А
А
А
К
К
К
УЭ
УЭ
КН102Б – кремниевый, неуправляемый, малой мощности,
02 разработки, разновидности Б.
КУ201К - кремниевый, управляемый, средней мощности,
01 разработки, разновидности К.

Слайд #19

Применение тиристоров
Тиристоры применяются в силовых преобразователях электрической энергии:
- управляемые выпрямители,
- конверторы,
- в устройствах управления электроприводом.
Существуют фототиристоры, управляемые с помощью оптронов.
Они позволяют осуществить гальваническую развязку информационной маломощной системы управления от силовой части.
МК
R
SITAC
Rн
~
220 В
5 В

Слайд #20

Схема включения тиристора

Слайд #21

Конструкции тиристоров различной мощности и назначения
21

Слайд #22

Тиристоры
Лекция

Слайд #23

Тиристор
Тиристор – полупроводниковый прибор с тремя или более взаимодействующими p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.
Тиристор, имеющий два вывода, называется диодным тиристором (динистором).
Тиристор, имеющий два основных вывода и один управляющий вывод, называется триодным тиристором (тринистором). Тиристор, имеющий симметричную относительно начала координат вольт-амперную характеристику, называется симметричным тиристором (симистором).
23

Слайд #24

Структура и УГО тиристора
Тиристор имеет два устойчивых состояния:
1) закрытое, то есть состояние низкой проводимости,
2) открытое, то есть состояние высокой проводимости.
Другими словами он способен под действием сигнала переходить из закрытого состояния в открытое.
Тиристор имеет три вывода, кроме Анода и Катода еще и управляющий электрод - используется для перевода тиристора во включенное состояние. Современные импортные тиристоры выпускаются и в корпусах ТО-220 и ТО-92.

24

Слайд #25

Назначение тиристоров
Тиристоры часто используются в схемах для регулировки мощностей, для плавного пуска двигателей или включения лампочек. Тиристоры позволяют управлять большими токами. У некоторых типов тиристоров максимальный прямой ток достигает 5000 А и более, а значение напряжений в закрытом состоянии до 5 кВ. Мощные силовые тиристоры вида Т143(500-16) применяются в шкафах управления эл.двигателями, частотниках.
25

Слайд #26

Структура (а) и эквивалентная схема (б) диодного тиристора
26

Слайд #27

Структура и эквивалентная схема диодного тиристора
Диодный тиристор имеет три p–n-перехода, причем два из них (П1 и П3) работают в прямом направлении, а средний (П2) – в обратном направлении. Крайнюю область р-типа называют анодом, а крайнюю область n-типа – катодом. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух транзисторов: Т1 (n–p–n-типа) и Т2 (p–n–p-типа), соединенных между собой. Таким образом, получается, что переходы П1 и П3 являются эммитерными переходами этих транзисторов, а переход П2 в обоих транзисторах работает как коллекторный переход. Область базы Б1 транзистора Т1 одновременно является коллекторной областью К2 транзистора Т2, а база Б2 транзистора Т2 одновременно служит коллекторной областью К1 транзистора Т1. Соответственно этому коллекторный ток ik1= iб2, а коллекторный ток ik2=iб1.
27

Слайд #28

ВАХ диодного тиристора
28

Слайд #29

ВАХ диодного тиристора
При увеличении напряжения Uпр, ток невелик и его величина растет медленно, что соответствует участку 0А. В этом режиме тиристор можно считать закрытым. На сопротивление коллекторного перехода П2 влияют два взаимно противоположных процесса.
С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, поскольку основные носители уходят в разные стороны от границы.
Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эммитерных переходах П1 и П3 усиливает инжекцию носителей заряда, которые переходят к переходу П2, обогащают его и уменьшают его сопротивление. До точки А влияние обоих процессов уравновешивается, а затем даже малое повышение подводимого напряжения создает преобладание второго процесса и сопротивление перехода П2 начинает уменьшаться. В этом случае возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Объясняется это следующим образом. Поскольку увеличивающееся напряжение на переходах П1 и П3 уменьшает сопротивление на переходе П2 и напряжение на нем, то ток резко возрастает (участок АБ), за счет чего еще больше возрастают напряжения на П1 и П2. Это, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию тока, уменьшению сопротивления П2 и т. д. В результате такого процесса устанавливается режим, напоминающий режим насыщения транзистора, а именно: большой ток при малом напряжении (участок БВ).
Ток в этом режиме, когда тиристор открыт, определяется, главным образом, сопротивлением нагрузки Rн, включенным последовательно с тиристором.
29

Слайд #30

Динистор
Динистор представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости p1-n1-p2-n2. На границах раздела этих областей возникнут p-n-переходы: крайние переходы ( П1 и П3 ) называются эмиттерными, а области, примыкающие к ним, – эмиттерами; средний p-n-переход (П2) называется коллекторным. Внутренние n1- и p2-области структуры называется базами. Область p1, в которую попадает ток из внешней сети, называется анодом (А), область n2 – катодом (К).
30

Слайд #31

Параметры динистора:
1. Imax – максимальное значение прямого тока (точка В), при котором на приборе будет небольшое напряжение Uоткр
2. Iуд – ток удерживания (точка Б), который возникает при резком уменьшении прямого тока. При этом напряжение резко возрастает, т. е. тиристор переходит «скачком» обратно в закрытое состояние, соответствующее участку ОА.
3. tвкл. и tвыкл. – время выключения и время включения тиристора.
4. Собщ. – общая емкость, которая складывается из емкостей всех p–n-переходов.
5. Uобр.max- обратное максимальное напряжение.
31

Слайд #32

Триодный тиристор (тринистор)
Если от одной из базовых областей динистора сделать вывод, то получится управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение напряжения включения Uвкл. Чем больший ток течет через такой управляющий переход Iy, тем ниже напряжение Uвкл.
32

Слайд #33

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) триодного тиристора
33

Слайд #34

Схема включения триодного тиристора
Такой тиристор называют тиристором с управлением по катоду, поскольку управляющим электродом является базовая область, ближайшая к катоду n.
Параметры у тиристоров такие же, как и у динисторов. К этим параметрам лишь добавляются величины, характеризующие управляющую цепь Iy, Uy.
34

Слайд #35

Симистор
Симистор используется в системах, питающихся переменным напряжением, его можно представить как два тиристора, которые включены встречно-параллельно. Симистор пропускает ток в обоих направлениях.
35

Слайд #36

Структура симистора
Симметричные тиристоры или симисторы имеют структуру n-p-n-p-n или p-n-p-n-p. Они отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в обоих направлениях.
36

Слайд #37

ВАХ симистора
При одной полярности работает левая половина прибора.
При обратной полярности работает правая половина прибора.
Роль симистора могут выполнять два диодных тиристора, включенных параллельно.
37

Слайд #38

тиристоры