тиристоры (Приводы роботов)

Тиристор[править]Материал из Википедии — свободной энциклопедииПерейти к: навигация, поискОбозначение на схемахТиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристаллаполупроводника с тремя или более p-n переходами и имеющий два устойчивых состояния:закрытое состояние, т. е. состояние низкой проводимости (тиристор заперт) и открытоесостояние, т. е. состояние высокой проводимости. Таким образом, тиристор можнорассматривать как электронный выключатель (ключ).

Основное применение тиристоров— управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающиеустройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главнымобразом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает,что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор,изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричныединисторы). Тиристор имеет нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ) сучастком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, странзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности.Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходитскачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либонапряжением (током), либо светом (для фототиристора).

После перехода тиристора воткрытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющегосигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину,называемую током удержания.Содержание[убрать]1 Устройство и основные виды тиристоров2 Вольтамперная характеристика тиристора3 Режимы работы триодного тиристораo 3.1 Режим обратного запиранияo 3.2 Режим прямого запирания 3.2.1 Двухтранзисторная модельo 3.3 Режим прямой проводимости4 Отличие динистора от тринистора5 Симистор6 Характеристики тиристоров7 Применение8 См.

также9 Примечания10 Литература11 Ссылки[править] Устройство и основные виды тиристоровРис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n структура b) Диодныйтиристор с) Триодный тиристор.Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собойчетырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательносоединённых p-n перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, квнешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n прибор может иметь до двухуправляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Прибор безуправляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такиеприборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами.Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором илитринистором[1] (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно).

Описанныевыше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (отанода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случаесоответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) иобычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринисторназывается также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместосимметричных динисторов, называемых также диаками (от англ. diac), часто применяютсяих интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.[править] Вольтамперная характеристика тиристораРис. 2. Вольтамперная характеристика тиристораТипичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющимиэлектродами или без них), приведена на рис 2.

Она имеет несколько участков:Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокомусопротивлению прибора — прямое запирание.В точке 1 происходит включение тиристора.Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальнымсопротивлением.Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямойпроводимости).В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток Ih.Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой нарис.

2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметричноотносительно начала координат.По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.[править] Режимы работы триодного тиристора[править] Режим обратного запиранияРис. 3. Режим обратного запирания тиристораДва основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:1. Лавинный пробой.2. Прокол обеднённой области.В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательноепо отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2смещён в прямом (см. рис.

3). В этом случае большая часть приложенного напряженияпадает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различныхобластей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины Wn1 слоя n1 пробойвызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньшеWn1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходитсмыкание переходов J1 и J2).[править] Режим прямого запиранияПри прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду иобратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении.Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2.

Через переходы J1 и J3 вобласти, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которыеуменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшаютпадение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристорсначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристорможно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико.

Помере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2,и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение токачерез тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некоторомзначении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжениемпереключения VBF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер,тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нёмустанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешнейцепи.[править] Двухтранзисторная модельДля объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используетсядвухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-pтранзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базойдругого, как показано на рис.

4 для триодного тиристора. Центральный переход действуеткак коллектор дырок, инжектируемых переходом J1, и электронов, инжектируемыхпереходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера IE, коллектора IC и базы IB истатическим коэффициентом усиления по току α1 p-n-p транзистора также приведена нарис. 4, где IСо— обратный ток насыщения перехода коллектор-база.Рис. 4.

Двухтранзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов исоотношение токов в p-n-p транзисторе.Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменениинаправления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-nтранзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогичноколлекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток Ig втекают в базу n-p-nтранзистора.

В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петлепревысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.Ток базы p-n-p транзистора равен IB1 = (1 — α1)IA — ICo1. Этот ток также протекает черезколлектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентомусиления α2 равен IC2 = α2IK + ICo2.Приравняв IB1 и IC2, получим (1 — α1)IA — ICo1 = α2IK + ICo2. Так как IK = IA + Ig, тоРис.

5. Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояниеравновесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости.Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряженийвплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что всеслагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α1 + α2 <1, ток IA мал. (Коэффициенты α1 и α2 сами зависят от IA и обычно растут с увеличениемтока) Если α1 + α2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямойпробой (или включение тиристора).

Следует отметить, что если полярность напряжениямежду анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены вобратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, таккак в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процессстановится невозможным.Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимахпрямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённаяобласть каждого перехода и контактный потенциал определяются профилемраспределения примесей.

Когда к аноду приложено положительное напряжение, переходJ2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом.Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме паденийнапряжения на переходах: VAK = V1 + V2 + V3. По мере повышения напряжения возрастаетток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративномухарактеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. Послевключения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешнимсопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжениитиристор выйдет из строя.

Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямомнаправлении (рис. 5, в), и падение напряжения VAK = (V1 — |V2| + V3) приблизительно равносумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном,транзисторе.[править] Режим прямой проводимостиКогда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямомнаправлении.

Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, иструктура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённымдиодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p+-in+)-диоду…[править] Отличие динистора от тринистораПринципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если включениединистора происходит при достижении между выводами анода и катода определённогонапряжения, зависящего от типа данного динистора, то в тринисторе напряжениевключения может быть специально снижено, путём подачи импульса тока определённойдлительности и величины на его управляющий электрод при положительной разностипотенциалов между анодом и катодом, и конструктивно тринистор отличается тольконаличием управляющего электрода. Тринисторы являются наиболее распространённымиприборами из «тиристорного» семейства.Выключение тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения Ih,либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом.