6.4. Способы включения и выключения тиристоров
Переключение тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется с помощью введения тем или иным способом в одну или обе его базовые области неравновесных носителей заряда (то есть накопление избыточного отрицательного заряда электронов в п1-базе, и избыточного положительного заряда дырок в р2-базе) достаточного для выполнений условий включения.
Способами включения тиристора из закрытого состояния в открытое являются:
— повышение напряжения, приложенного к тиристору вплоть до величины напряжения переключения – включение по аноду;
— включение с помощью тока управления (подача сигнала на управляющий электрод);
— включение тиристора под действием теплоты (нагрев тиристорной структуры);
— включение тиристора под действием света;
— включение тиристора путем быстрого увеличения анодного напряжения на нем (переключение по dU/dt).
Практическое применение нашли включение с помощью тока управления и включение тиристора под действием света.
Сущность всех способов выключения заключается в следующем: при работе в открытом состоянии в базах тиристора накапливается большой избыточный заряд неравновесных носителей, чтобы тиристор выключился необходимо, чтобы накопленный заряд в базах уменьшился до значения не превышающего критический заряд включения
Выключение тиристора может быть осуществлено следующими способами:
— путем уменьшения прямого тока до нуля или смены полярности анодного напряжения (выключение по основной цепи);
— подача на управляющий электрод обратного тока;
— смена полярности анодного напряжения с одновременной подачей в р2 – базу обратного тока (комбинированное выключение);
— путем снятия прямого напряжения или путем разрыва цепи
Наиболее распространен способ выключение по основной цепи.
7. Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью
Во многих современных электронных цепях используются транзисторы, ток носителей которых течет по так называемому каналу, образованному внутри кремниевого кристалла. Этим током можно управлять, прикладывая электрическое поле. Такие приборы называют полевыми транзисторами (в англоязычной литературе применяют сокращение FET — Field Effected Transistor). В настоящее время эти транзисторы играют весьма важную роль, являясь элементами ИС, которые содержат на одном кристалле от тысяч до сотен тысяч полупроводниковых приборов. В свою очередь, на базе таких ИС создают компьютеры, микропроцессорные системы, устройства обработки сигналов и т.д.
Полевой транзистор (ПТ)– это полупроводниковый прибор, в котором изменение тока происходит под действием перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.
Протекание электрического тока в полевых транзисторах обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие транзисторы называют также униполярными в отличие от биполярных.
По физическим эффектам, лежащим в основе управления носителями заряда, полевые транзисторы бывают трех видов: с управляющим p-n-переходом, с управляющим переходом металл полупроводник и со структурой металл–диэлектрик–полупроводник (МДП-транзисторы). Приборы этого типа в зарубежной литературе носят разные названия, в том числе MOSFET (Metal — Oxide — Semiconductor Field — Effected Transistor, то есть полевой транзистор металл — окисел — полупроводник), IGFET (Insulated-Gate Field — Effected Transistor, то есть полевой транзистор с изолированным затвором), MISFET (Metal — Insulator — Semiconductor Field — Effected Transistor, то есть полевой транзистор металл — изолятор — полупроводник), MOST (Metal — Oxide — Semiconductor Transistor, то есть полевой транзистор металл — окисел — полупроводник), JFET (Junction Field — Effected Transistor, то есть полевой транзистор с управляющим p-n-переходом), MESFET (Metal — Semiconductor Field — Effected Transistor, то есть полевой транзистор с управляющим переходом металл — полупроводник). В полевых транзисторах в качестве полупроводникового материала используют в основном кремний и арсенид галлия, в качестве металлов: алюминий, молибден, золото; в качестве диэлектрика оксид кремния SiО2 в МОП-транзисторах или сложные структуры, например SiO2–Al2O3, SiO2–Si3N4 в МДП-транзисторах.
Полевые транзисторы проще биполярных по структуре, кроме того, им присущ ряд ценных качеств:
— производство этих приборов проще, они имеют меньшие габариты и можно добиться более высокой степени интеграции ИС;
— потребляемая ими мощность меньше, чем у биполярных транзисторов (мощность, потребляемая МОП — транзисторами, составляет единицы нановатт, в то время как биполярные транзисторы потребляют единицы милливатт);
— применение полевых транзисторов улучшает экономические показатели изделий;
— характерной особенностью полевых транзисторов является высокое входное сопротивление (свыше 10 МОм) и высокий коэффициент усиления по напряжению;
— на базе полевых транзисторов легко создавать запоминающие устройства, работающие за счет накопления зарядов малыми внутренними емкостями;
— надежность полевых транзисторов выше надежности биполярных.
В области высоких токов полевые транзисторы имеют отрицательный температурный коэффициент, то есть ток в данных приборах уменьшается с повышением температуры, благодаря этому возникает более однородное распределение температуры по площади прибора и снижается вероятность развития теплового или вторичного пробоя, характерного для биполярных транзисторов. Поскольку полевые транзисторы являются униполярными приборами, они не чувствительны к эффектам накопления неосновных носителей, и поэтому имеют более высокие граничные частоты и скорости переключения.
4.1.3. Закрытое состояние
Структуру тиристора можно представить в виде двух транзисторов VT1 и VT2, соединенных между собой, как показано на рисунке 4.3. Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи, пользуясь параметрами одномерной теоретической модели транзистора:
Рисунок 4.3 — Представление теристора в виде двух транзисторов
(4.1)
где 
,
и
– токи через первый, второй и третийp—n-переходы; 
и
– статические коэффициенты передачи токов эмиттера одномерных теоретических моделей первого и второго транзисторов;
– обратный ток коллектора, который является общим для обоих транзисторов, составляющих структуру тиристора. В закрытом состоянии тиристора из всего потока инжектированных в каждую базу неосновных носителей заряда только меньшая часть доходит до коллекторного перехода. Основной механизм образования обратного тока коллектора – генерация носителей заряда в коллекторном переходе.
Для двухэлектродной структуры диодного тиристора из-за необходимости выполнения баланса токов полные токи через все переходы должны быть равны между собой:
(4.2)
Тогда анодный ток тиристора
(4.3)
где – суммарный статический коэффициент передачи тока тиристорной структуры.
Выражение (4.3) представляет собой уравнение ВАХ диодного тиристора в зарытом состоянии. Напомним, что статический коэффициент передачи тока эмиттера транзистора растет с увеличением тока эмиттера в результате уменьшения влияния рекомбинации в эмиттерном переходе и появления электрического поля в базе из-за увеличения градиента концентрации носителей заряда. Коэффициент передачи тока эмиттера растет также с увеличением напряжения на коллекторном переходе в результате уменьшения толщины базы и увеличения коэффициента лавинного размножения в коллекторном переходе. Эти четыре физических фактора вызывают рост суммарного статического коэффициента передачи тока тиристорной структуры при увеличении напряжения и соответственно тока в закрытом состоянии тиристора.
При достижении суммарным статическим коэффициентом передачи значения, равного единице, в соответствии с (4.3) анодный ток через тиристор устремляется в бесконечность, т.е. происходит переключение диодного тиристора из закрытого состояния в открытое. Во время переключения ток через тиристор, конечно, должен быть ограничен сопротивлением нагрузки, иначе тиристор может выйти из строя.
4.1.4. Условие переключения тиристора
В точке переключения тиристора дифференциальное сопротивление равно нулю. Выясним условие, при котором дифференциальное сопротивление тиристора может стать равным нулю. До переключения тиристора в открытое состояние практически все напряжение, приложенное к тиристору, падает на коллекторном переходе. Дифференцируя (5.1) по напряжению с учетом (5.2) и считая
(4.4)
В скобках числителя (4.4) стоят выражения для дифференциального коэффициента передачи тока эмиттера одномерных теоретических моделей транзисторов. Действительно, 
. Отсюда дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера одномерной теоретической модели транзистора
Таким образом, из (4.4) следует, что переключение тиристора из закрытого состояния в открытое должно произойти при условии равенства единице суммарного дифференциального коэффициента передачи тока тиристорной структуры, т.е.
(4.5)
Обычно это условие удовлетворяется раньше, чем условие равенства единице статических коэффициентов передачи тока первого и второго транзисторов, составляющих тиристорную структуру, так как дифференциальные коэффициенты передачи больше статических.
Ничтожное превышение дифференциального коэффициента передачи тока над единицей означает, что приращение тока коллектора больше, чем приращение тока эмиттера. Именно при таком условии р-база заряжается положительно, а n-база – отрицательно (об этом шла речь вначале параграфа). Избыточные заряды в базовых областях уменьшают напряжение на коллекторном переходе, а следовательно, и на всей тиристорной структуре, что соответствует переходному участку ВАХ тиристора – участку отрицательного дифференциального сопротивления.
При переключении диодного тиристора из закрытого состояния в открытое из-за роста проходящего тока суммарный дифференциальный коэффициент передачи тока увеличивается. Одновременно уменьшение напряжения на коллекторном переходе вызывает уменьшение того же коэффициента. Поэтому соотношение (4.5) можно считать не только условием переключения тиристора из закрытого состояния в открытое, но и уравнением ВАХ на переходном ее участке. В действительности сумма дифференциальных коэффициентов передачи тока транзисторных структур, составляющих тиристорную структуру, во время переключения несколько превышает единицу.
4.3.2. Выключение тиристоров
Выключение тиристоров путем уменьшения тока в цепи основных электродов до значения, меньшего удерживающего тока, или путем разрыва цепи основных электродов. Тиристор будет выключен, т.е. переведен из открытого состояния в закрытое, только после рассасывания неравновесных носителей заряда в базовых областях. Если до окончания процесса выключения вновь подать напряжение между основными электродами тиристора, то он окажется во включенном состоянии. Таким образом, для выключения тиристора необходимо некоторое время.
При выключении тиристора путем разрыва цепи основных электродов рассасывание неравновесных носителей заряда происходит только в результате рекомбинации. Такой способ выключения применяется, когда время выключения тиристора не влияет на работу той или иной схемы.
Для ускорения процесса рассасывания неравновесных носителей заряда, накопленных в базовых областях при прохождении прямого тока через открытый тиристор, необходимо понизить потенциальный барьер коллекторного перехода. Однако коллекторный переход при открытом состоянии тиристора уже был смещен в прямом направлении из-за накопленных неравновесных носителей заряда в базовых областях и, следовательно, имел малое сопротивление. Поэтому на долю коллекторного перехода при переключении тиристора на обратное напряжение приходится очень малая часть всего внешнего напряжения. Из-за малого сопротивления тиристора, находящегося еще в открытом состоянии, обратный ток на первом этапе процесса выключения ограничен сопротивлением внешней цепи.
Существенное уменьшение времени выключения даже при небольших обратных напряжениях удается получить для тиристоров, проводящих в обратном направлении. У этих тиристоров оба эмиттерные перехода зашунтированы объемными сопротивлениями прилегающих базовых областей. Поэтому даже небольшое обратное напряжение способствует быстрому рассасыванию накопленных в базовых областях неравновесных носителей заряда.
Для выключения тиристора необходимо отвести неравновесные основные носители заряда из базы, у которой имеется управляющий электрод. В то же время основной ток, проходящий через открытый еще тиристор, непрерывно восполняет количество неравновесных носителей заряда в базовых областях. Таким образом, значение тока управления, необходимого для выключения тиристора, зависит от основного тока через тиристор (рисунок 4.11, а).
Рисунок 4.11 — Зависимость тока управления, необходимого для выключения (для запирания) тиристора, от основного тока
Некоторые тиристоры с большой площадью p-n-переходов невозможно выключить с помощью тока управляющего электрода при больших токах между основными электродами. Объясняется это тем, что при движении носителей заряда к управляющему электроду (дырок в тиристоре) база тиристора под эмиттерным переходом становится неэквипотенциальной и дальние от управляющего электрода части эмиттерного перехода остаются смещенными в прямом направлении. Инжекция электронов из этих частей эмиттерного перехода поддерживает соответствующую часть тиристорной структуры в открытом состоянии. Стремление же еще большое увеличить ток управляющего электрода путем увеличения напряжения на этом электроде может привести к лавинному пробою эмиттерного перехода так как этот переход имеет обычно малое пробивное напряжение из-за большой концентрации примесей с обеих сторон перехода.
Таким образом, существуют тиристоры, запираемые и незапираемые по управляющему электроду. Запираемый тиристор – это тиристор, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот при подаче на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности. Но и для запираемого тиристора существует максимально допустимый постоянный запираемый ток Iз max – наибольшее значение основного тока, до которого допускается запирание тиристора по управляющему электроду. При использовании в мощных устройствах запираемые тиристоры обладают преимуществами перед транзисторами, поскольку тиристоры способны выдерживать значительно большие напряжения в закрытом состоянии.
Какими способами можно перевести тиристор из открытого состояния в закрытое и из закрытого состояния открытое.
Какими способами можно перевести тиристор из открытого состояния в
закрытое и из закрытого состояния открытое.
Голосование за лучший ответ
Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое ( включение) может быть осуществлен двумя способами: подачей на анод напряжения, большего, чем напряжение включения, или пропусканием через промежуток управляющий электрод — катод положительного управляющего тока определенного значения.
Перевод тиристора из з а к р ы т о г о состояния в о т к р ы т о е при положительном напряжении на аноде может быть осуществлен тремя способами: повышением приложенного напряжения вплоть до напряжения переключения — включение по аноду ( диодный тиристор. [5]
Для перевода тиристора ( или симметричного тиристора) в запертое состояние необходимо обеспечить спадание протекающего через него прямого тока до нуля. В течение времени удаления этих накопленных зарядов через тиристор протекает обратный ток, который после удаления зарядов падает практически до нуля, и обратное напряжение на тиристоре возрастает до значения, определяемого напряжением подключенного к нему источника. Однако для того чтобы тиристор мог снова выдерживать без включения прямое напряжение, необходимо некоторое время. Это время, в течение которого происходит восстановление запирающей способности тиристора, обусловлено процессом рекомбинации носителей в области среднего перехода, который мало зависит от внешнего напряжения. [6]
Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо удалить из базовых областей накопленный за время проводимости избыточный заряд носителей. [7]
АГП), при тиристорном возбуждении — переводом тиристоров в инверторный режим, при бесшл-точном возбуждении — переводом в инверторный режим тиристоров в цепи возбуждения возбудителя Тип системы возбуждения оказывает также прямое или косвенное в и — яние на выполнение защит генераторов. При тиристорной системе с самовозбуждением при отсутствии специальных последовательных трехфазных трансформаторов, включаемых в фазы со стороны выводов к нейтрали генератора, требуется принятие мер к обеспечению работы защит с выдержками времени при КЗ на выводах генератора или даже за повышающим трансформатором блока, когда питание цепей возбуждения нарушается. [8]
Если же тиристор выполнен с третьим электродом, выполняющим функции органа управления ЗУ ( см. рис, 6.20, в), то перевод тиристора из закрытого состояния открытое может быть выполнен также с помощью тока управления. Такие тиристоры называют управляемыми. [9]
Крутой задний фронт способствует перезаряду емкости перехода / з до величины, при которой он может отпереться, в результате создаются условия для перевода тиристора во включенное состояние. [10]
Перевод тиристора в проводящее состояние можно осуществить облучением полупроводниковой структуры ( 02 слоя на рис. 7 а) световым потоком, под действием которого в p — n — переходе П2 увеличивается число носителей заряда, необходимое дпя отпирания прибора. [11]