4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Многопереходные полупроводниковые приборы

1.1. Динистор

1.1.1. Принцип работы динистора его основные свойств

1.1.2. Динистор в цепи постоянного тока

1.1.3. Динистор в цепи переменного тока

1.1.4. Области применения динистора

1.2. Тиристор

1.2.1. Устройство и принцип действия тиристора

1.2.2. Тиристор в цепи постоянного тока

1.2.3. Тиристор в цепи переменного тока

1.2.4. Области применения тиристоров

1.3. Симистор

1.3.1. Свойства симистора в цепи переменного тока

1.3.2. Области применения симисторов

1.3.3. Параметры тиристоров

1. Многопереходные полупроводниковые приборы

1.1 Динистор

1.1.1 Принцип работы динистора его освные свойств

Динистор обозначают символом VS. Он имеет три n-p перехода и два вывода для подключения в схему. Для понимания принципа его работы, мысленно разрежем динистор на два транзистора так, как показано на рис.3.1.

Если напряжение источника питания Е приложено с полярностью, указанной на рис. 3.1, то переходы П1 и П2 будут открыты, а переход П2 закрыт. Верхний транзистор (тип p-n-p) начнет передавать ток эмиттера через коллекторный переход П2, равный _p I. В коллекторе будут накапливаться основные заряды, компенсируя обедненный (отрицательной полярности) запирающий заряд. Аналогично нижний транзистор (тип n-p-n) начнет передавать ток эмиттера в область n2, равный _n I/. Он обогащает основными носителями обедненный положительный слой перехода П2. Чем больше эти транзитные токи транзисторов, тем сильнее компенсируются связанные заряды перехода. При некоторых токах эмиттеров, заряд будет скомпенсирован и переход П2 откроется. В приборе ток сильно возрастет. В любом случае ток закрытого перехода I_КО в месте с транзитными составляющими эмиттерных токов условных транзисторов равен току во внешней цепи динистора:

(1)

Из этого соотношения получаем ток динистора

(2)

Формула (1) приводит к удивительному выводу о том, что в основе развития процесса открытия динистора лежит ток закрытого перехода. Чем он больше, тем скорее созреет условие открытие динистора. В теории доказано и на практике проверено, что коэффициенты передачи токов эмиттера по мере роста тока динистора возрастают. Как только их сумма достигает единицы, ток броском увеличивается до максимального значения, величина которого определяется типом динистора. Вид вольтамперной характеристики динистора показан на рис. 3.2. Анализ вольтамперной характеристики динистора рис. 3.2 позволяет сделать несколько выводов.

Для включения динистора нужно брать источник питания больше, чем его напряжение включения U_ВКЛ. Напряжение включения динистора, соответствующее точки А рис. 3.2, составляет десятки и сотни вольт.

После включения динистора его ток возрастает скачком до величины I_ПР. Уменьшение напряжения приводит к уменьшению тока динистора, но не выключает его.

Выключение динистора произойдет только тогда, когда напряжение источника питания уменьшится до напряжения UВЫКЛ выключения динистора. Напряжение выключения динистора близко к десяти вольтам. Его, как правило, всегда считают напряжением выключения.

1.1.2 Динистор в цепи постоянного тока

В цепи постоянного тока динистор, как и диод, может находиться либо в закрытом, либо в открытом состояниях. Действительно, для контура, представленного на рис. 3.3 видно, что динистор, включенный последовательно с нагрузкой R и источником питания Е, описывается уравнением состояния (второй закон Кирхгофа)

(3)

На рис.3.2 это уравнение построено и мы получили два решения: точка В и точка А. В точке А динистор долгое время находиться не может, так как моментально открывается при любом спонтанном увеличении напряжения источника питания Е. Если источник питания уменьшить, то можно получить два решения:

При изменении напряжения источника питания от нуля, получим точку на пологой части ВАХ динистора, что говорить о том, что динистор не включился.

При уменьшении напряжения источника питания Е ток динистора уменьшается, а решение остается на крутой части ВАХ динистора. Это свидетельствует о том, что динистор включен. Для выключения динистора нужно источник напряжения сделать близким к напряжению выключения динистора.

1.1.3 Динистор в цепи переменного тока

Для мгновенного значения питающего напряжения уравнение состояния будет иметь следующий вид:

(4)

На рис.3.2 по правилам, изученным в дисциплине «Начертательная геометрия и графика» можно сделать множество решений этого уравнение, придавая мгновенному напряжению различные значения от нуля до его максимума. При этом получим точки, которые можно пометить в системе координат Декарта. В результате получим зависимость напряжения от времени в виде, указанном на рис.3.4. При увеличении напряжения от нуля до величины е Uвкл, ток в динисторе близок к нулю. При е Uвкл, ток динистора максимален. Обычно падение напряжения на открытом динисторе много меньше напряжения источника питания, поэтому ток в нагрузке будет, меняться, как в цепи с диодом по закону изменения источника питания в тот момент, когда динистор открыт.

На рис. 3.4 пунктиром помечено напряжение питания е, изменяющееся по синусоидальному закону. В интервале от нуля до динистор не пропускает ток в нагрузку и напряжение на ней (толстая сплошная линия) равно нулю. В момент времени , когда напряжения питания достигает напряжения включения динистора, ток броском достигает большого значения и далее меняется практически по синусоидальному закону. При отрицательной полуволне у динистора закрываются переходы П1 и П3. по этой причине ток динистора очень мал и напряжение в нагрузке равно нулю.

Динистор в цепи синусоидального напряжения работает как однополупериодный выпрямитель. Разница в следующем

Динистор проводит ток в течение времени, меньшего полпериода синусоидального напряжения на величину фазы, равной .

Ток схеме с динистором изменяется броском, что при наличии индуктивности и емкости (LC фильтр) приводит к перенапряжению на отдельных участках цепи такого выпрямителя.

Ввеличина пульсаций такого способа выпрямления растет с ростом угла задержки включения тиристора.

1.1.4 Области применения динистора

Отмеченные (п. 1.2) свойства динистора не позволяют применять его в выпрямительных устройствах. Применяют динисторы в качестве порогового устройства, которые включаю нужные схемы только после достижения некоторого уровня напряжения. Для этой цели выпускают тиристоры с разным напряжением включения.

1.2 Тиристор

1.2.1 Устройство и принцип действия тиристора

Тиристор обозначают символом VS. Он имеет три n-p перехода и три вывода для подключения в схему, причем один вывод служит для управления моментом включения тиристора (меняется угол ). Для понимания принципа его работы, условно разрежем тиристор на два транзистора так, как показано на рис.3.5. Верхний слой является транзистором типа p-n-p. Нижний слой это транзистор обратной проводимости с выводом от базы. К базе приложено напряжение U_УПР, которое способствует открытию перехода p2-n2 и создает ток базы I_УПР. Если напряжение источника питания Е приложено с полярностью, указанной 3.5, то переход П1 будет закрыт. Переход П2 будет открыт управляющим напряжением, и через переход П2 потечет дополнительный ток, равный I_УПР. Таким образом, баланс токов, отмеченный уравнением (3.1), в данном случае несколько изменится:

(5)

Отсюда ток тиристора можно вычислить по такой формуле

(6)

Уравнение (6) указывает на то, что ток закрытого перехода П2, в тиристоре по сравнению с динистором, можно существенно увеличить. Это приводит к росту коэффициентов передачи и . В результате требуется внешнее напряжение гораздо меньшей величины, чтобы открыть тиристор. Сказанное проиллюстрировано на рис. 3.6. Видим, что при токе управления, равным нулю, тиристор работает как динистор. Если ток управления сделать равным, то тиристор можно включить при напряжении Е меньшим, чем это было у динистора.

Если же ток управления сделать номинальным (), то тиристор включится при малом напряжении (принято включение тиристора при напряжении 10 В), и будет работать в схеме как обычный диод.

Анализ вольтамперных характеристик тиристора, изображенного на рис. 3.6, позволяет сделать такие выводы:

Для включения тиристора можно брать любой источник питания, так как его включение можно обеспечить током управления.

После включения тиристора его ток возрастает скачком до величины IПР. Уменьшение напряжения приводит к уменьшению тока тиристора, но не выключает его (за исключением тиристоров малой мощности, которые можно закрывать током управления).

Выключение тиристора большой мощности произойдет только тогда, когда напряжение источника питания уменьшится до напряжения выключения UВЫКЛ. Напряжение выключения тиристора близко к десяти вольтам.

1.2.2 Тиристор в цепи постоянного тока

Для постоянного тока тиристор может находится либо в закрытом либо в открытом состояниях. Для него, как для динистора, справедливо уравнение электрического состояния

(7)

Методика графоаналитического решения ни чем не отличается от рассмотренной нами методики, примененной для динистора. Разница состоит в том, что мы по известному источнику питания Е проводим нагрузочную прямую, а затем по вольтамперной характеристики определяем величину тока управления, который нужен для уверенного включения тиристора.

При изменении напряжения источника питания от нуля, получим точку на пологой части ВАХ тиристора, что говорить о том, что тиристор не включился.

При уменьшении напряжения источника питания Е ток тиристора уменьшается, а решение остается на крутой части ВАХ тиристора. Это свидетельствует о том, что тиристор включен. Для выключения тиристора большой мощности нужно источник напряжения сделать близким к напряжению выключения динистора или изменить его полярность. Тиристоры для токов не более 10А, могут выключаться обратным током управления.

1.2.3 Тиристор в цепи переменного тока

Для мгновенного значения питающего напряжения уравнение состояния будет иметь следующий вид:

(8)

На рис. 3.7 проделано множество таких решений и точки решений соединены линиями. В результате получили зависимость напряжения от времени в виде, указанном на рис. 3.7. При этом мы считали, что напряжение источника питания меняется по закону e = Е_M sint.

При увеличении напряжения от нуля до величины е Uвкл, ток в тиристоре близок к нулю. При е Uвкл, ток в тиристоре максимален.

Обычно падение напряжения на открытом тиристоре много меньше напряжения источника питания, поэтому ток в нагрузке будет меняться по закону изменения источника питания в тот момент, когда тиристор открыт.

На рис. 3.7 пунктиром помечено напряжение питания е, изменяющееся по синусоидальному закону.

В интервале времени тиристор не пропускает ток в нагрузку и напряжение в ней (толстая сплошная линия) так же равно нулю. В момент времени , когда напряжения питания достигает напряжения включения тиристора, ток броском достигает большого значения и далее меняется практически по синусоидальному закону. При отрицательной полуволне у тиристора закрываются переходы П1 и П3. и все напряжение источника питания прикладывается к тиристору.

Тиристор в цепи синусоидального напряжения качественно работает как однополупериодный выпрямитель.

Тиристор проводит ток в течение времени, меньшего полпериода синусоидального напряжения на величину .

Ток в такой схеме изменяется броском, что при наличии индуктивности и емкости (LC фильтр) приводит к перенапряжениям на отдельных участках цепи такого выпрямителя.

Величина пульсаций такого способа выпрямления растет с ростом угла задержки . динистор тиристор симистор трансформатор

Ток управления позволяет менять величину угла в пределах от нуля до 180 по заданной программе.

1.2.4 Области применения тиристоров

Тиристоры позволяют коммутировать токи от нескольких сотен миллиампер до нескольких сотен и тысяч ампер. С помощью тиристоров открылась возможность стабилизировать скорость вращения двигателей, изменять по нужной программе мощность двигателей, преобразовывать энергию напряжения сети в энергию напряжения заданной частоты, использовать управляемые преобразователи как накопители энергии и как инверторы - преобразователи постоянного напряжения в переменное напряжение и т.д.

1.3 Симистор

1.3.1 Свойства симистора в цепи переменного тока

Симистор или тринистор обозначают символом VS. Он имеет четыре n-p перехода и три вывода для подключения в схему, причем один вывод служит для управления моментом включения тринистора (меняется угол ). Для понимания принципа его работы, представим его двумя, встречно включенными, тиристорами (рис. 3.8).

Глядя на вольтамперную характеристику симистора (рис. 3.9) видно, что он пропускает знакопеременный ток. Так как симистор управляемый, то появляется возможность изменять величину знакопеременного тока. Не трудно догадаться, что форма тока, протекающего через симистор, если к нему приложить синусоидальное напряжение, имеет форму, представленную на рис. 3.9. Угол управления меняется от нуля до 90. Следовательно, ток можно уменьшать от максимума до минимума. Отличаются эти токи примерно в два раза. На графике сплошной линией показа ток симистора, который резко отличается от синусоидального напряжения, котороге показано на этом жэе рисунке пунктирной линией.

1.3.2 Области применения симисторов

Возможность включения симистора в цепь переменного тока дает право использовать его в качестве трансформатора тока с плавной перестройкой коэффициента трансформации. Это дает большие преимущества:

- уменьшаются габариты такого трансформатора, по сравнению с обычным, в сотни раз;

- плавная регулировка коэффициента трансформации под нагрузкой полностью убирает проблемы, какие имеет плавная регулировка в обычном трансформаторе;

- стоимость такого трансформатора тока фантастически мала по сравнению с традиционным трансформатором. К сожалению, ток такого трансформатора явно не синусоидален, что наводит в сети гармоники, засоряя напряжение сети. Это портит качество радио и телепередач, приводит к не желаемым последствиям в технологических процессах и т.п.

1.3.3 Параметры тиристоров

Перед тем, как тиристоры внедрят в схему нужно по справочнику выяснить его электрические параметры, основной перечень которых приведен в таблице 1.

Таблица.1. Основные параметры тиристоров

Размещено на Allbest.ru