Тема: Тиристори та оптопари.

1.Тиристори

2.Оптоелектронні елементи

1.Тиристори

Тиристор - напівпровідниковий елемент з трьома р-п-переходами.

Основні властивості тиристора:

- тиристор, як і діод, проводить струм в одному напрямку, проявляючи себе як випрямляч;

- тиристор переводиться з вимкненого стану у ввімкнений при подачі сигналу на керуючий електрод і, як вимикач, має два стійкі стани. Проте для повернення тиристора у вимкнений стан необхідно виконати спеціальні умови;

- керуючий струм, необхідний для переводу тиристора із вимкненого стану у ввімкнений, значно менший (декілька міліампер) при робочому струмі в декілька ампер і навіть в декілька десятків ампер. Тому тиристор володіє властивостями підсилювача струму;

- середній струм через навантаження, включене послідовно з тиристором, можна точно регулювати залежно від тривалості сигналу на керуючому електроді. Тиристор при цьому є регулятором потужності.

В залежності від характеру вольтамперної характеристики та способу керування тиристори поділяють на:

тиристоры (динистори) - мають два виводи (анод і катод) і перемикаються у відкритий стан напругою заданої амплітуди;

 тріодні  тиристори (тиристори) - мають три виводи (анод  катод,  керуючийм електрод) . тиристори не впроводять струм в зворотньому  напрямку, вмикаютьсь імпульсами струму керування а вимикаються імпульсами зворотньої напруги або перериванням струму у відкритому стані. Тиристори в залежності від комунікаційних параметрів поділяються на

- низькочастотні;

- високочастотні;

- швидкодіючі;

- імпульсні;

В  залежності від зони приєднання керованого електрода тиристори поділяють на:

- тиристори керовані катодом;

- тиристори керовані анодом;

запираючі тиристори - вимикаються імпульсами струму керування відрізьняються малим часом вимкнення;

симетричні тиристори (симістори) - є еквівалентом зустрічнопаралельног з'єднання двох тиристорів які здатні пропускати струм у відкритому стані як в прямому так і в зворотному напрямку;

лавинні тиристори — мають лавинну вольтамперну характеристику і стійкі до перенапруги;

Диністор – це прилад некерований з трьома р-п переходами, двохелектродний, що буває у двох станах – відкритому та закритому, крайні області називають емітерами, а середні р і п базами.

 Будова та принцип дії динистора

Динистор має три p-n преходи і два електроди що приєднані до емітерних областей  – анод і катод. Перехід p1-n1 називають  першим емітерними переходом ЕП₁ ,перехід p2-n2 називають  другим емітерними переходом ЕП₃і  перехід p2-n1 називають  колекторним переходом КП .

Для включення динистора необхідно прикласти пряму  напругу «+» до анода, а «-» до катода, при такому включенні переходи ЕП1, ЕП2 – відкриті, тобто мають низькі потенціальні бар’єри та опір, а р-п перехід КП – закритий, тобто зміщений у зворотному напрямі, маючи високий потенціальний бар’єр та опір. У силу цього всю зовнішню напругу буде прикладено до закритого переходу КП. Під дією поля із областей р1 і п4 через переходи П1, П3 будуть направлятися дірки з р1, в п2 і електрони з п4 в р3, від чого опір переходу КП зменшується, виникає лавинний процес швидкого відкривання диністора. Відкритим диністор знаходиться доти поки його струм буде не менший від струму утримання Іутр. Допустимий струм диністора визначається опором Rн. Відключення диністора спостерігається за умови Ідин <Іутр і подальшим зміщенням переходу КП в зворотному напрямку. При зміні полярності вмикання диністора прилад залишається закритим, так як переходи ЕП1, ЕП2 будуть під зворотною напругою.

Вольт-амперна характеристика динистора складається з шести ділянок:
Ділянка 1- тиристор відчинений.  У межах цієї ділянки всі три р-п переходу напівпровідникової структури включені в прямому включенні і при незначній  напрузі через динистор  може протікати великий струм I_пр у відкритому стані, який при цьому напрузі джерела живлення практично визначається тільки опором зовнішньому ланцюга. Падіння напруги на відкритому приладі в деякій мірі залежить  від прямого струму. Що стосується значення найбільшого постійного струму, який може пропускати прилад в цьому режимі який залежить від площі р-п переходу та умовами охолодження приладу. Динистор зберігає відкритий стан, поки прямий струм Іпр буде більше деякого мінімального значення -утримує струму Iут (точка Б на характеристиці).

 Ділянка 2 -нестійкий режим роботи У процесі перемикання діністора у відкритий стан незначне збільшення струму супроводжується швидким зменшенням напруги на анодіприладу, так як складові динистора  переходять в режим насичення. Опір діністора в межах ділянки 2 стає від'ємним.

 Ділянка 3 -ділянка пробою колекторного переходу . В межах ділянки 4 збільшення анодної напруги мало впливає на струм, поки не буде досягнуто напруга U_вмик, при якому в чотиришаровій напівпровідникововій структурі настає лавиноподібний процес наростання струму, і динистор перемикається у відкритий стан. Пряма напруга називається напругою вмикання U_вмик, а струм який протікає при цьому через прилад - струмом вмикання I_вмик.

Ділянка 4 - тиристор зачинений . При  прямому включенні  динистора на цій ділянці через динистор протікає незначний Iзс струм приладу в закритому стані. У закритому стані опір переходів  анод-катод приладу великий і оберненопропорційний значенню струму Iзс. 

Ділянка 5 зворотній непровідний  режим. Це режим коли до його електродів прикладена напруга зворотної полярності Uзв (плюс до катода, мінус до анода). Зворотний струм Iзв малий і приблизно дорівню струму в закритому стані.

Ділянка 6 лавинного пробою. Якщо збільшувати (за абсолютним значенням) напругу Uзв, то при деякому його значенні зворотньої напруги пробою Uпроб, настає пробій переходів, це може призвести до руйнування приладу. 

 Будова та принцип дії тиристора

Тиристором - називают елемент , що має три p-n преходи і три електроди (виводи) два що приєднані до емітерних областей  – анод і катод і третій до базової керуючий електрод.  Тринистори мають аналогічну структурі динистора відрізняються лише керуючим електродом.

Взалежності від того до якої з баз  приєднаний керуючий електрод розрізняють тиристори керовані анодом та тиристори керовані катодом.

В залежності від способу запирання розрізняють триністори запірні і незапірні. У незапірних тиристорах керуючий електрод тільки відкриває його, тобто переводить із закритого стану у відкритий, у запірних – керуючим електродом відкривають, закривають тиристор.

 Для включення тиристора необхідно прикласти пряму  напругу «+» до анода, а «-» до катода, при такому включенні переходи ЕП1, ЕП2 – відкриті, тобто мають низькі потенціальні бар’єри та опір, а р-п перехід КП – закритий, тобто зміщений у зворотному напрямі, маючи високий потенціальний бар’єр та опір. Якщо через керуючий електрод подати відкриваючий струм, то титистор перейде у відкритий стан.  Ефект керування пояснюється тим, що із збільшенням струму керування зростає один з емітерних струмів.  Якщо струм Ік=0, то тиристор веде себе як динистор . При збільшенні Ік > 0 тиристора напруга вмикання зменшується. Якщо при відкритому тиристорі зняти керуючу напругу, тиристор залишиться відкритим, доки прямий струм Іпр не стане менше від струму утримання Іут. Цей струм називають струмом вимикання. Тиристор закривається, коли сума коефіцієнтів передачі струмів емітера набагато менша за одиницю.

Запірні триністори відрізняються від незапірних тим, що можуть переключатися із відкритого стану у закритий сигналом у колі керування (КЕ). Керуючий електрод розподілений по всій площі між шарами переходу П3 і катодом  для  прискорення розсмоктування  носіїв  електричним  полем керуючого сигналу.

Вольт-амперна характеристика тиристора схожа до характеритики динистора складається з чотирьох  ділянок:
Ділянка 1- тиристор відчинений.  У межах цієї ділянки всі три р-п переходу напівпровідникової структури включені в прямому включенні і при незначній  напрузі через динистор  може протікати великий струм I_пр у відкритому стані, який при цьому напрузі джерела живлення практично визначається тільки опором зовнішньому ланцюга. Падіння напруги на відкритому приладі в деякій мірі залежить  від прямого струму. Що стосується значення найбільшого постійного струму, який може пропускати прилад в цьому режимі який залежить від площі р-п переходу та умовами охолодження приладу. Динистор зберігає відкритий стан, поки прямий струм Іпр буде більше деякого мінімального значення -утримує струму Iут (точка Б на характеристиці).

 Ділянка 2 - від'ємного опру та пробою колекторного переходу . У процесі перемикання діністора у відкритий стан незначне збільшення струму супроводжується швидким зменшенням напруги на анодіприладу, так як складові динистора  переходять в режим насичення. Опір діністора в межах ділянки 2 стає від'ємним. В межах ділянки 4 збільшення анодної напруги мало впливає на струм, поки не буде досягнуто напруга U_вмик, при якому в чотиришаровій напівпровідникововій структурі настає лавиноподібний процес наростання струму, і динистор перемикається у відкритий стан. Пряма напруга називається напругою вмикання U_вмик, а струм який протікає при цьому через прилад - струмом вмикання I_вмик.

Ділянка 3 - тиристор зачинений . При  прямому включенні  динистора на цій ділянці через динистор протікає незначний Iзс струм приладу в закритому стані. У закритому стані опір переходів  анод-катод приладу великий і оберненопропорційний значенню струму Iзс. 

Ділянка 4 зворотній непровідний  режим. Це режим коли до його електродів прикладена напруга зворотної полярності Uзв (плюс до катода, мінус до анода). Зворотний струм Iзв малий і приблизно дорівню струму в закритому стані.Якщо збільшувати (за абсолютним значенням) напругу Uзв, то при деякому його значенні зворотньої напруги пробою Uпроб, настає пробій переходів, це може призвести до руйнування приладу. 

Симістором називають  групу  симетричних тиристорів, керованих, еквівалентних двом тиристорам, ввімкнених зустрічно-паралельно, що закриваються, відкриваються напругою керування будь-якої полярності і проводять струм в обох напрямках.

Розроблені р-п-р-п-р та п-р-п-р-п структур симістори, в яких кожен з електродів (анод, катод та керуючий електрод) шунтує одночасно дві р, п області. Якщо прикласти до електрода А1 додатній потенціал, до А2 і КЕ – від’ємний відносно А2; то електрони області п4 інжектують через перехід П4 і збагачують сферу р2. Потенціальний бар’єр закритого переходу П2 знижується і від електрода А1 до А2 проходить прямий струм Іпр. При змінній полярності на А1 і А2 від’ємний потенціал КЕ забезпечує зміщення переходів П2, П3 у прямому напрямку, а закритий на початку перехід П1 відкривається під дією електронів області п1. Через симістор проходить струм у протилежному напрямку. Якщо на керуючому електроді КЕ буде додатній потенціал при (-) на А1 і (+) на А2,    попередньо закритий перехід П2 відкриється інжекцією електронів із області п3, обумовлюючи струм симістора.

Фототиристор – це тиристор, в якому використовують фотоелектричний ефект. Керується світловим потоком і застосовується для комутації світловим сигналом електричних сигналів великої потужності.

 Якщо відсутнє світло і Ікер= 0, прилад закритий і через нього протікає незначний струм. При освітленні фототиристора утворюються пари електрони-дірки, а значить фотострум. У базах р2 і п1 зростають емітерні струми і фототиристор відкривається.Так що основна відмінність фототиристорів в тому, що в фототиристорах коефіцієнти передачі струму α являються функцією освітленості.

Формування імпульсів керування тиристорів

За способом керування тиристора формування імпульсів керування  може бути:

амплітудним	фазовим	широтно-імпульсним

Амплітудний метод  керування грунтується на залежності напруги перемикання U_н тиристора від величини струму керування . Збільшення струму керування  призводить до зменшення напруги перемикання , тобто кожному рівню струму відповідає відповідний рівень анодної напруги при якій включається тиристор.

Фазовий метод керування грунтується на зміні фази керуючого сигналу відносно фази фази змінного струму , що живить анодне коло тиристора.

Широтно-імпульсне керування тиристором грунтується на зміні співвідношення між тривалістю відкритого і закритого стану тиристора тобто на зміні скважності.

Маркування тиристорів здійснюється за такою класифікацією:

1 позиція — літера Т, що вказує на призначення;

2 позиція — літера, яка вказує на вид тиристора (Б — швидкодійний,С — симетричніш, Ч— частотний, П— із зворотною провідністю); 3 позиція — три цифри, які характеризують конструктивні особливості; 4 позиція — число, яке відповідає середньому струму в амперах; 5 позиція — клас за напругою, на яку розрахований тиристор; 6 позиція -- цифри, які визначають номери груп за швидкістю наростання напруги та часом вимикання.

Наприклад: ТБ133-250-8-52 -- тиристор швидкодійний, середній

анодний струм 250А, восьмий клас за напругою, п'ята група за наростанням напруги та друга група за часом вимикання.

 2. Оптоелектронні елементи

До фотоелек­тричних приладів належать прилади вакуумні, напівпровідникові, в яких під дією електромагнітного випромінювання світла в результаті зовнішнього чи внутрішнього фотоефекта змінюються електричні параметри.

Розрізняють два види фотоефекта: зовнішній та внутрішній.

При зовнішньому фотоефекті пучком світла опромінюється речовина, виникає фотоелектронна емісія – явище виходу електронів із речовини за рахунок енергії світла. За законом Столєтова фотострум дорівнює:  І_ф = К Ф [А] , де к – інтегральна чутливість фотокатода; Ф – світловий потік, лм.

Внутрішній фотоефект грунтується  на виникненні пар електронів і дірок під дією квантів світла, від чого змінюється концентрація вільних носіїв зарядів, а значить електричні властивості напівпровід­ника чи діелектрика, або виникає фото-ЕРС.

Оптоелектронні елементи використовують перетворення електричних сигналів в оптичні і містять джерело світла (ДС) та приймач світла — фотоприймач (ФП), які поєднані між собою оптичним середовищем. Такі елементи називають  оптронами (оптопарами). Як джерело світла використовується інфрачервоний випромінювальний діод, світлодіод або напівпровідниковий лазер. Для фотоприймача використовують фоторезистори , фотодіоди , фототранзистори , фототиристори.

Оптоелектронна інтегральна мікросхема представляє собою мікросхему, що складається з однієї або декількох оптопар і електрично з'єднаних з ними одного або декількох узгоджуючих або підсилювальних пристроїв. Таким чином в електронній ланцюга такий прилад виконує функцію елемента зв'язку, в якому в той же час здійснена електрична (гальванічна) розв'язка входу і виходу.

Основною ознакою оптрона є великий опір ізоляції між вхідними і вихідними електричними колами, що становить 1кОм. Це дає змогу за допомогою сигналів малої потужності керувати високими напругами до 1500 В і струмами до 300 А.