Чем отличается транзистор от тиристора

§ 156. ТИРИСТОРЫ

Наряду с полупроводниковыми диодами и транзисторами в технике все шире используют управляемые полупроводниковые приборы с четырехслойной р-n-р-n структурой, называемые тири­сторами.

По внутренней структуре тиристоры отличаются от транзисто­ров тем, что вместо трех в них имеются четыре полупроводниковых слоя с тремя электронно-дырочными переходами (рис. 220).

К р-области анода А прилегает относи­тельно широкая область базы с элек­тронной проводимостью, за ней — тон­кая базовая область с дырочной прово­димостью, к которой присоединен вывод управляющего электрода УЭ, и область катода К с электронной прово­димостью. Слои наращиваются обычно на тонкой кремниевой пластинке мето­дом диффузии и вплавления.

При приложении к тиристору пря­мого напряжения Е переходы П1 и П3 окажутся открытыми (проводящими), а на переходе П2 будет обратное сме­щение. Поэтому действие тиристора можно заменить эквивалентным дей­ствием комбинации из двух транзисто­ров: транзистора типа р-n-р с эмиттерным переходом П1 и коллекторным П2 и транзистора типа n-р-n, имеющего

тот же коллекторный переход П2 и эмиттерный — П3. Соединение обоих транзисторов показано на рис. 221.

Из эквивалентной схемы видно, что ток коллектора транзистора типа р-n-р одновременно является током базы, отпирающим тран­зистор n-р-n, а коллекторный ток последнего — базовым током, отпирающим транзистор типа р-n -р.

При увеличении прямого напряжения батареи с, подаваемого на ти­ристор, небольшое приращение тока в цепи эмиттера транзистора типа р-n-р ΔIэ1 вы­зовет приращение тока в цепи коллектора этого же транзистора ΔIк1, что, в свою очередь, приводит к увеличению коллек­торного тока сопряженного транзистора ΔIк2 , а также коллекторного транзистора типа р-n-р ΔIк1. Далее процесс продол­жается, и ток эквивалентных транзисто­ров возрастает.

Наличие третьего вывода УЭ тиристоров значительно облегчает управляемость прибора. Увеличение тока в цепи тиристора может быть достигнуто независимо от величины приложенного напряжения путем введения дополнительного тока через управляющий электрод в одну из базовых областей структу­ры. Ток в цепи управляющего электрода, складываясь с общим током прибора, вызовет увеличение коэффициента усиления по току транзистора р-n-р типа, в результате чего начнется лавинное нара­стание тока в цепи.

После отпирания тиристора за счет тока в цепи управляющего электрода управляющее действие его прекращается. Запирание ти­ристора может быть осуществлено путем изменения полярности напряжения на аноде или уменьшения тока, протекающего через прибор до значения, называемого током «удержания».

Из сказанного следует, что работа управляемого полупроводни­кового прибора подобна работе тиратрона, в котором управление включением анодной цепи выполняется подачей напряжения зажигания на сетку лампы.

По сравнению с тиратроном тиристоры имеют меньший вес и габариты, обладают большой механической прочностью и значи­тельно большим коэффициентом полезного действия. Тиристор мо­жет работать при более низких напряжениях питания.

Тиристоры обладают рядом преимуществ и перед мощными, транзисторами. Они могут работать при очень больших токах и более высоких обратных напряжениях.

Существенным недостатком тиристоров является то, что они не могут быть выключены с помощью управляющего сигнала.

В настоящее время тиристоры применяют в основном в устрой­ствах электропитания в качестве выпрямителей, преобразователей энергии, частотных преобразователей, в устройствах защиты элек­тронной аппаратуры.

В этом посте мы попытаемся понять, что такое тиристор, как он работает, его характеристики, режимам работы, применения, преимущества и недостатки.

Тиристор в основном представляет собой двухпозиционный переключатель для управления выходной мощностью электрической цепи путем включения и выключения цепи нагрузки в определенные промежутки времени.

Что такое тиристор

Тиристор представляет собой однонаправленное полупроводниковое твердотельное устройство с четырьмя слоями чередующегося материала P и N-типа. Он состоит из трех электродов: анода, катода и затвора. Анод — это положительный конец, а катод — это отрицательный конец.

Вход контролируют поток тока между анодом и катодом. Он используется в электронных устройствах и оборудовании для контроля электроэнергии или тока. Он действует как выпрямитель и может передавать ток только в одном направлении.

Первый тиристор был выпущен в 1956 году. Самым распространенным типом тиристоров является кремниевый управляемый выпрямитель (SCR).

Как работает тиристор

Тиристор действует как диод. Он состоит из двух слоев полупроводников, а именно p-типа и n-типа, расположенных между собой для образования соединения. Анод соединен с внешним p-слоем, катод с внешним n-слоем и затвором с внутренним p-слоем. Он имеет 3 соединения, а именно J1, J2, J3.

Читайте также:  Сравнение духовых шкафов встроенных

Когда анод имеет положительный потенциал относительно катода, на затвор не подается напряжение. Соединения J1, J3 смещены в прямом направлении, а J2 — в обратном. Так что никакой проводимости здесь не происходит.

Теперь, когда положительный потенциал увеличивается за пределами напряжения пробоя, происходит пробой соединения J2, и он начинает проводить ток. Как только происходит пробой, он продолжает проводить независимо от напряжения на затворе, пока потенциал на аноде не будет удален или ток через устройство не станет меньше, чем ток удержания.

Теперь, когда положительный потенциал приложен к клемме затвора по отношению к катоду, происходит пробой соединения J2. Чтобы быстро включить тиристор, необходимо выбрать соответствующее значение потенциала.

Вход действует как управляющий электрод. Когда небольшое напряжение, известное как импульс затвора, подается на его затвор, устройство переключается в состояние проводимости. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на устройстве не изменится или не будет снято.

Ток запуска затвора изменяется обратно пропорционально напряжению затвора, и для его запуска требуется минимальный заряд затвора. Таким образом, переключением тиристоров можно управлять через его импульс затвора.

Двухтранзисторная аналогия тиристора

Ток коллектора от NPN-транзистора подается непосредственно на базу PNP-транзистора, а ток коллектора PNP-транзистора подается на базу NPN-транзистора. Эти соединенные транзисторы полагаются друг на друга для проводимости.

Таким образом, для проведения одного из транзисторов требуется базовый ток. Когда анодный вывод тиристора является отрицательным по отношению к катоду, NP-переход становится смещенным вперед, а PN-переход становится обратным смещением.

Два транзисторных аналога тиристора

Здесь поток обратного тока блокируется до тех пор, пока не будет приложено напряжение пробоя. После пробивного напряжения оно начинает проводить без подачи сигнала затвора. Это одна из отрицательных характеристик тиристоров, так как она запускает проводимость при обратном разрыве напряжения.

Когда анодный вывод сделан положительным по отношению к катоду, внешние переходы смещены в прямом направлении, а центральный переход NP смещен в обратном направлении и блокирует прямой ток. Таким образом, чтобы вызвать его в проводимости, положительный ток прикладывается к базе транзисторов.

Два транзистора соединены в регенеративном контуре, и это заставляет транзистор проводить насыщение. Таким образом, можно сказать, что тиристоры блокируют ток как в направлении источника переменного тока в выключенном состоянии, так и могут включаться путем приложения положительного тока к базе транзистора.

Характеристики Тиристора

Тиристоры могут иметь прямое или обратное смещение. Посмотрим, как это работает в обоих направлениях.

Тиристоры в состоянии смещения вперед

Когда анод становится положительным, PN-соединения на концах смещены вперед, а центральное соединение (NP) становится смещенным назад. Он будет оставаться в заблокированном (ВЫКЛ) режиме (также известном как этап прямой блокировки) до тех пор, пока он не будет вызван импульсом тока затвора или приложенное напряжение не достигнет напряжения прямого отключения.

Запуск по импульсу тока затвора Когда он запускается импульсом тока затвора, он начинает проводить и будет действовать как переключатель замыкания. Тиристоры остаются во включенном состоянии, то есть остаются в заблокированном состоянии. Здесь вход теряет контроль, чтобы выключить устройство.

Запуск по напряжению прямого отключения — Когда подается прямое напряжение, ток утечки начинает протекать через блокировку (J2) в среднем соединении тиристоров. Когда напряжение превышает прямое отключение перенапряжения или критического предела, то J2 выходит из строя и достигает состояния ON.

Когда ток затвора (Ig) увеличивается, он уменьшает площадь блокировки и, таким образом, уменьшается прямое отключающее напряжение. Он включится, когда будет поддерживаться минимальный ток, называемый запирающим током.

Когда ток затвора Ig = 0 и ток анода падают ниже определенного значения, называемого удерживающим током, во время состояния ВКЛ, он снова достигает своего состояния прямой блокировки.

Тиристоры в обратном смещенном состоянии

Если анод является отрицательным по отношению к катоду, то есть с приложением обратного напряжения, оба PN-перехода на конце, то есть J1 и J3, становятся смещенными в обратном направлении, и центральное соединение J2 становится смещенным в прямом направлении. Через него протекает только небольшой ток утечки. Это режим блокировки обратного напряжения или выключенное состояние тиристора.

Читайте также:  Конденсатор для зарядного устройства автомобиля

Когда обратное напряжение увеличивается еще больше, то при определенном напряжении происходит лавинный пробой J1 и J2, и он начинает проводить в обратном направлении. Максимальное обратное напряжение, при котором тиристор начинает проводить ток, называется обратным напряжением пробоя.

  • Тиристор блокирует напряжение как в прямом, так и в обратном направлении, и, таким образом, образуется симметричная блокировка.
  • Тиристор включается при приложении положительного тока затвора и выключается, когда напряжение на аноде падает до нуля.
  • Небольшой ток от затвора к катоду может запустить тиристор, изменив его с разомкнутой цепи на короткое замыкание.

Режимы работы тиристора

Тиристор имеет три режима работы:

  • Блокировка вперед
  • Обратная блокировка
  • Прямая проводимость

Блокировка вперед

В этом состоянии или режиме прямая проводимость тока блокируется. Верхний диод и нижний диод смещены в прямом направлении, а соединение в центре — в обратном направлении. Таким образом, тиристор не включается, поскольку затвор не срабатывает, и через него не протекает ток.

Обратная блокировка

В этом режиме соединение анода и катода меняется на обратное, и через него по-прежнему не протекает ток. Тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, и он блокирует в обратном направлении, поэтому поток тока блокируется.

Прямая проводимость

При подаче тока на затвор срабатывает тиристор, и он начинает проводить ток. Он остается включенным до тех пор, пока прямой ток не упадет ниже порогового значения, и этого можно достичь, отключив цепь.

Типы тиристоров

Основываясь на возможностях включения и выключения и физической структуре, тиристоры классифицируются как:

  • Тиристоры с силиконовым управлением (SCR)
  • Тиристор отключения эмиттера (ETO)
  • Тиристоры с быстрым переключением (SCR)
  • Светоактивированные кремниевые выпрямители (LASCR)
  • Ворота отключают тиристоры (GTO)
  • Тиристоры с обратной проводимостью (RCT)
  • Тиристоры с управлением FET (FET-CTH)
  • MOS-контролируемый тиристор (MTO)
  • Двунаправленные фазово-управляемые тиристоры (BCT)

Применение тиристора

Тиристор используется в различных применениях, таких как:

  • В основном используется в двигателях с переменной скоростью.
  • Используется для управления электроприводом высокой мощности.
  • Используется в основном в двигателях переменного тока, светильниках, сварочных аппаратах и ​​т. Д.
  • Используется в ограничителе тока короткого замыкания и выключателе.
  • Быстрая скорость переключения и низкая проводимость возможны в тиристоре ETO.
  • Используется в качестве диммеров на телевидении, в кинотеатрах.
  • Используется в фотографии для вспышек.
  • Может использоваться в охранной сигнализации.
  • Используется в регулировании скорости вращения электрического вентилятора.
  • Используется в автомобильных зажиганиях.

Преимущества тиристора

Преимущества тиристора включают в себя:

  • Бюджетный.
  • Может быть защищен с помощью предохранителя.
  • Может обрабатывать большое напряжение / ток.
  • Способен контролировать мощность переменного тока.
  • Очень легко контролировать.
  • Легко включить.
  • Тиристор GTO или Gate Turnoff обладает высокой эффективностью.
  • Занимает меньше времени на работу.
  • Тиристорные выключатели могут работать с большой частотой.
  • Требует меньше места по сравнению с механическими переключателями.
  • Может использоваться для надежных операций.
  • Стоимость обслуживания тиристора очень меньше.
  • Очень прост в использовании для сложного управления.
  • Грузоподъемность очень хорошая.
  • Может использоваться в качестве генератора в цифровых цепях.
  • Может быть подключен параллельно и последовательно для обеспечения электронного управления на высоких уровнях мощности.
  • Тиристоры проводят ток только в одном направлении.
  • Он может использоваться как защитное устройство, как предохранитель в линии электропередачи.

Недостатки тиристора

К недостаткам тиристора можно отнести:

  • Не может использоваться для более высоких частот.
  • В цепи переменного тока тиристор должен быть включен на каждом цикле.
  • SCR требуется время для включения и выключения. Это вызывает задержку или повреждение в нагрузке.
  • Он может остановить двигатель при подключении, но не может удерживать его в неподвижном состоянии.
  • Скорость отклика тиристора очень низкая.
  • Не часто используется в цепях постоянного тока, так как тиристор нельзя отключить, просто сняв привод затвора.
  • Низкая эффективность.
  • Ток фиксации и удержания больше в тиристоре GTO.
  • Возможность обратной блокировки напряжения меньше возможности прямой блокировки.
  • Надежность тиристора TRIAC меньше, чем SCR.
  • TRIAC имеют более низкий рейтинг dv / dt по сравнению с SCR.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

12.1. Цель работы.

12.1.1. Изучить принцип действия транзисторов и тиристоров.

Читайте также:  Температура нагрева стали под закалку

12.2. Основные теоретические действия.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с

двумя р-n переходами и тремя выводами, обеспечивающий усиление

мощности электрических сигналов.

Основой транзистора является кристалл полупроводника, в котором создано два р-n перехода (рис. 12.1.).

Для нормальной работы между выводами транзистора должны быть

включены источники питания. Их можно включить таким образом, чтобы оба перехода оказались под обратным напряжением. Этот режим работы транзистора называют отсечкой. Все токи транзистора практически равны нулю. Если все переходы включить на прямое напряжение, то такой режим работы транзистора называют насыщением. Транзистор работает в активном режиме, если эмиттерный переход находится под прямым напряжением, (открыт) а коллекторный переход под обратным напряжением (закрыт).

На рис. 12.2. показана схема включения транзистора в актив-

ном режиме.

Для транзистора справедливо уравнение:

Данная схема (с общей базой) не дает усиления по току, но дает усиление по напряжению и по мощности.

Схема с общим эмиттером (рис. 12.3.) дает усиление по току, мощности и по напряжению.

Тиристором называется полупроводниковый прибор с тремя и более n-p переходами, который может находится в одном из двух устойчивых состояний: в состоянии низкой проводимости (закрыт) или в состоянии высокой проводимости (открыт).

Тиристоры можно считать аналогом электрических контактов,

которые могут быть замкнуты или разомкнуты. Маломощные тиристоры

применяют в релейных схемах и коммутирующих устройствах. Мощные

тиристоры применяют при создании управляемых выпрямителей, инверторов и различных преобразователей. У трехэлектродных тиристоров

имеется вывод, называемый управляющим. Управляющий электрод подключают к источнику, который создает ток управления. При отсутствии тока управления работа тиристора ничем не отличается от работы диодного динистора. При Iупр. = 0 переключение тиристора из закрытого состояния в открытое происходит при меньшем анодном напряжении. Таким образом, работой тиристора можно управлять, воздействуя на объемные заряды в базах. Зависимость напряжения включения от тока управления Uвкл. от тока управления Iупр. называют характеристикой управления тиристора (рис. 2.4.)

12.3. План работы.

12.3.1. Собрать схему рис. 12.5. Последовательно увеличивай-

те входной потенциал, наблюдая при этом за изменением потенциала

12.3.2. Определите взаимосвязь выходного и входного сигналов.

12.3.3. Аналогично заданиям 12.3.1.и 12.3.2 определить свойства схемы рис. 12.6. Включение тиристора производите размыканием цепи.

12.3.4. Сравните результаты выполнения пунктов 12.3.1.

12.3.5. Разработайте схему, в которой при достижении контролируемой величиной предельного значения загорается лампа, причем

лампа не должна гаснуть сама, когда контролируемая величина уменьшилась.

13. Лабораторная работа N13

ОПТОПАРА

13.1. Цель работы.

13.1.1. Изучить принцип действия оптопары и ее применение в

13.2. Основные теоретические сведения.

Оптропара это система совместно работающих источника света и приемника света. Источниками света могут быть лампы накаливания, светодиоды видимого и инфракрасного излучения. В качестве фотоприемников используют фотодиоды, тиристоры, фототранзисторы, фотосопротивления.

Оптопары используют в устройствах гальванической развязки, в устройствах сигнализации, в системах дистанционного управления, в системах регулирования освещенности и многих других.

Оптопару помещенную в один корпус называют оптроном. Основное применение оптрона – гальваническая развязка. Важнейшими характеристиками этого устройства являются сопротивление изоляции (10 12 . 10 14 Ом) и напряжение пробоя – от десятков до нескольких тысяч Вольт.

При проектировании оптопар и оптронов спектральный состав источника излучения и спектральные свойства приемника стремятся согласовать так, чтобы максимум чувствительности фотоприемника соответствовал диапазону длин волн с наибольшей интенсивностью излучения источника.

Входные и выходные характеристики оптопар зависят от используемых в них источников и приемников излучения.

Важным для оптопар является передаточная характеристика.

Для фоторезисторных оптопар они определяются отношением теплового сопротивления к световому Rт/Cсв, для фотодиодных и фототранзисторных – коэффициентом передачи тока

а для фототиристорных минимальным входным током обеспечивающим спрямление характеристики.

Инерционность оптопар характеризуется временем включения tвкл и выключения tвыкл в импульсном режиме работы и граничной частотой tгр.

Наиболее быстродействующим являются диодные оптопары, наиболее медленными – фоторезисторные оптопары.

13.3. План работы.

13.3.1. Исследовать в работе оптопару как гальваническую развязку (рис. 13.1.).

Для этого разработайте систему, в которой электродвигатель включается при достижении предельной температуры. При этом должна отсутствовать электрическая связь между объектом управления (электродвигатель) и измерительным устройством. При разработке используйте транзисторы VT1 – для включения лампы, VT2 – для включения двигателя, компараторы CA1 и СА2, фоторезисторы.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector