Transcript sepnutý stav

ELEKTRONICKÉ
SOUČÁSTKY
4. Vícevrstvé spínací
součástky
Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc
Tyristor
Součástka se třemi elektrodami:
katoda, hradlo, anoda
Řízený do katody
Anoda
A
P
Hradlo
N
Katoda
Struktura
Anoda
Hradlo
N
P
Řízený do anody
G
A
P
N
P
G
K
Schématická
značka
N
Katoda
Struktura
K
Schématická
značka
Tyristor PNPN
řízený do katody
A
Struktura
P1
J1
N1
G
P2
J2
J3
N2
K
• 4 polovodičové vrstvy:
P1, N1, P2, N2
• 3 P-N přechody:
J1, J2, J3
Funkce tyristoru
Tyristor polarizovaný do předního směru
a) Hradlo bez předpětí – blokovací stav
A
P1
• Přechod J2 je polarizován v
závěrném směru – široká
vyprázdněná zóna
UAK =
+ 15 V
In0
J1
N1
J2
G
P2
J3
N2
Ip0
K
0V
• Přechody J1 a J3 jsou
polarizovány do propustného
směru – úzké vyprázdněné zóny
• Ve vyprázdněných zónách se
teplem generují páry elektron-díra
• Protéká pouze velmi malý proud:
I0 = In0 = Ip0
Funkce tyristoru
Tyristor polarizovaný do předního směru
b) Hradlo bez předpětí – průraz
A
• Při zvyšujícím se napětí UAK
dojde k průrazu přechodu J2
UAK =
+ 25 V
P1 In0
J1
N1
Ip1
G
In1
J2
J3
N2
Ip0
K
0V
• Zvětšené proudy děr Ip0 a In0
otevírají přechody J1 a J3 (Napětí
na J1 a J3 vzroste)
• Z vrstvy N2 vychází proud
elektronů In1 a z vrstvy P1 proud
děr Ip1. Celý prostor součástky se
začíná zaplavovat rekombinujícími
nosiči.
Funkce tyristoru
Tyristor polarizovaný do předního směru
c) Hradlo bez předpětí – sepnutý stav
A
• V důsledku vzrůstu napětí na
přechodech J1 a J3 poklesne
napětí na J2 a průraz ustane.
UAK =
+1V
In1
P1
J1
N1
J2
G
J3
N2
Ip1
K
0V
• Prostor součástky je zaplaven
nosiči které vytvářejí vysoce vodivé
prostředí
• V důsledku nízkého odporu
součástky klesá napětí UAK
• Protéká vysoký proud:
IAK = In1 + Ip1
Funkce tyristoru
Tyristor polarizovaný do předního směru
c) Hradlo předepnuto – spínání
A
P1
UAK =
+ 10 V
In1
In0
J1
N1
G
UGK
=0,8 V
J2
IpG
InG
J3
N2
In Ip0
K
0V
• Přiložením napětí UGK se otevře
přechod J3 jako u tranzistoru
NPN
• Proud In1 překonává
vyprázdněnou oblast přechodu
J2
• Dále prochází vrstvou N1a
překonává přechod J1,
polarizovaný v propustném
směru
Funkce tyristoru
Tyristor polarizovaný do předního směru
d) Sepnutý stav – hradlo bez předpětí
A
• Vstupem proudu elektronů In1 na
přechod J1 se přechod otevře a
proud děr Ip1 driftuje až k J3
UAK =
+1V
In1
P1
J1
N1
J2
G
J3
N2
Ip1
K
• Oba proudy se ustálí na vysoké
úrovni. Polovodič je zaplaven
nosiči náboje, odpor součástky
klesá
• Napětí UAK na anodě klesá
0V
• Proud hradla už není zapotřebí –
lze zcela odejmout napětí UGK
Funkce tyristoru
Tyristor polarizovaný do závěrného směru
e) Závěrný stav – hradlo bez předpětí
A
• Přechody J1 a J3 jsou
polarizovány v závěrném směru,
přechod J2 v propustném směru
UAK =
- 15 V
In01 In02
P1
J1
N1
J2
G
J3
N2
Ip01
Ip02
K
0V
•Napětí UAK je rozděleno mezi
přechody J1 a J3
• Protéká pouze velmi malý proud
zbytkový: I0 = In1 + In2 = Ip1 + Ip2
• I když dojde k průrazu, napětí na
součástce neklesá (podobně, jako
u Zenerovy diody)
Funkce tyristoru
Jiný výklad funkce tyristoru
A
A UAK =
15 V
P1
T2
PNP
N1
N1
P2
P2
N2
G
UGK
NPN
G
T1
K
K
• Bez předpětí UGK na hradle
jsou oba tranzistory zavřené.
• Připojením kladného
předpětí hradla se otevře
tranzistor T1.
• Proud tranzistoru T1 sníží
napětí na bázi T2 a ten se
také otevře.
• Kolektorový proud T2 zvýší
napětí na bázi T1, takže další
předpětí UGK není nutné.
Charakteristiky tyristoru
IA
Sepnutý stav
Parametry:
Napětí v propust. směru
Přídržný proud IH
UF
Průrazné napětí v závěr. směru UBR
Vratný proud
Přídržný proud (propust. směr) IH
IG2  IG1
UBR
IG1
UF
Závěr
UAK
Blokovací stav
Dynamické vlastnosti tyristoru
Průběh zapnutí
tyristoru
iT
Průběh vypnutí
tyristoru
iG
trr (doba zotavení)
t
t
UD
tmin
uT
iT
IH
t
tq (vypínací doba)
0,1UD
t
tgt
(zapínací doba)
uT
Typické parametry tyristorů
PARAMETR
OZNAČENÍ
HODNOTY
Střední proud v propust. směru
IF
100 mA – 10 A
Neopakovatelný špičkový proud
v propustném směru
Napětí v propust. směru
IFSM
UF
0,8 – 1,5 V
Průrazné napětí v závěr. směru
UBR
25 V – 250 V
Max. zbytkový proud
IRmax
Spínací proud hradlem
IGT
Přídržný proud (propust. směr)
IH
Doba sepnutí
tgt
Doba vypnutí
tq
Doba zotavení
trr
1 mA – 100 mA
10 s – 10 ns
10 s
Aplikace tyristorů
• Řízené usměrňovače
• Spínání velkého proudu, řízení motorů
• Rychlé impulzní spínače
Vypínání tyristoru:
• Běžný tyristor nelze vypnout hradlem – nutno
snížit proud tyristorem pod tzv. přídržný proud IH
• Specielní tyristory pro velké výkony GTO (Gate
Turn-Off) umožňují vypínání proudu hradlem
Aplikace tyristorů
Řízené usměrňovače
Řízení v každé periodě
U
Řízení výběrem period
U1
U
U1
UL
UZ1
UL
UZ2
t
t
T1
Okamžiky sepnutí
R2
U1=U10sin(t)
D1
R1
CS
UG
RL
UL
Triak
Součástka se třemi elektrodami:
Anoda 1 (A1), Anoda 2 (A2), Hradlo (G)
Struktura
Funkce
A1
N4
N2
P2
N1
P1
N5
G
N3
A2
a) A1 kladná, A2 záporná:
tyristor P2N1P1N3
spínání : + na G
b) A1 záporná, A2 kladná:
tyristor P1N1P2N2
spínání : - na G
Triak
Charakteristiky a značka
Schematická značka
Charakteristika
iT
A1
Sepnutý
stav
uT
Blokovací
stav
A2
G
Diak
Součástka se dvěmi elektrodami:
Anoda 1 (A1), Anoda 2 (A2)
Struktura: Tři vrstvy - NPN
vyprázdněná oblast
A1
N
P
N
A2
IA
UAA
Schématická značka
Diak
Voltampérová charakteristika
IA
Aplikace
Sepnutý stav
Přechodný stav
I0
UAA
UBRCE
UBRCB
Blokovací stav
• Omezování
střídavých napětí
• Generování rychlých
pulzů pro ovládání
tyristorů
• Nehodí se pro
spínání – má velké
zbytkové napětí UBRCE