SEMINARSKI RAD IZ ELEKTRONIKE

TIRISTORI je naziv za familiju višeslojnih poluvodičkih komponenti, koje ispoljavaju prekidacko svojstvo, a koje je posljedica ugrađene regenerativne povratne sprege. Glavna prednost tiristora je da imaju sposobnost da upravljaju prenosom (propuštaju i dozvoljavaju prenos sa jednog kola na drugo) velikih snaga uz vrlo malu snagu upravljačkog signala. Glavna upotreba tiristora je u upravljanju i
konverziji električne energije, na primjer:
* regulirani izvori napajanja,
* konvertori izmjeničnog u istosmjerni napon,
* zamjena elektromehaničkih prekidača (na pr. rele),
* upravljanje brzinom motora.

Snage koje se susreču u ovim primjerima kreču se od reda mW do reda 100 MW (za polje sastavljeno od više tiristora, tako da svaki od njih upravlja sa po 250 KW). Mada izgleda da se tiristori i tranzistori mogu upotrijebiti u iste svrhe, ovdje postoji razlika u njihovom radu kao prekidača. Tako bipolarni tranzistor ima otvoren prekidač kada je struja baze jednaka nuli, a zatvoren prekidač, kada se nalazi u zasičenju. Obzirom da je napon izmedu kolektora i emitera mali, može se smatrati da je bipolarni tranzistor dobar prekidač. Njegov nedostatak je u tome, što zahtijeva veliku i konstantnu struju baze da bi se držao u zasičenju. Medutim, regenerativno svojstvo tiristora omogučava da se on dovede u zasičenje pomoču kratkog impulsa male snage, nakon čega ostaje u zasičenju. Kao ilustračija prethodnog, bipolarni tranzistor u stanju zasičenja i sa strujom od 50 A, može da zahtijeva baznu struju od 1A, pri naponu baza-emiter od 0,7 V, što iznosi 0,7 W nepekidnog utroška snage da bi se tranzistor držao u zasičenju. TIRISTOR sa istom strujom, može da se dovede u stanje provodenja, kratkim impulsom od 1,5 V i strujom od 50 mA, što iznosi 75 mW, čije je trajanje vrlo kratko. Takode, vrlo je teško napraviti bipolarni tranzistor za snage veče od 500 W, jer širina njegove baze mora biti mala, kako bi se obezbijedila velika vrijednost strujnog pojačanja, a ovo redučira maksimalni napon. Postoje tiristori koji provode samo pri pozitivnim naponima anoda-katoda (tiristori koji vode u jednom smjeru: dinistor, SCR), a i oni koji provode i pri pozitivnim i pri negativnim naponima (tiristori koji vode u oba smjera: dijak, trijak).

Ovo je komponenta sa tri priključka, koja provodi u jednom smjeru, i pod tiristorom se često podrazumijeva upravo ova komponenta. Ovdje če se koristiti naziv tiristor za ovu elektroničku komponentu.
Da bi se pojasnio rad tiristora, prvo če se razmotriti rad četveroslojne pnpn diode, i ovakav spoj sa dva priključka se često naziva dinistor ili Shokley-eva dioda Na sliči 10.1 prikazana je četveroslojna struktura dinistora a), predstava dinistora preko dva tranzistora b), njegova i-u karakteristika i simbol č).
Sa i-u karakteristike dinistora vidimo da, pri inverznoj polarizaciji spoja anodakatoda,pnpn dioda (dinistor) uopće ne vodi (stanje inverznog zakocenja), sve dok se ne dostigne napon proboja ulpr. Pri direktnoj polarizaciji, pri malim direktnim naponima protice vrlo mala struja (oblast direktnog zakocenja). Kada se dostigne napon paljenja Udpa, ova komponenta brzo prolazi kroz regenerativnu oblast u kojoj ispoljava negativnu otpornost, i prelazi u oblast provodenja. Napon na njoj naglo pada, a struja je odredena spoljnim kolom. U odsustvu potrošača, struja je ograničena unutrašnjim otporom generatora.
Karakteristično je da se iz oblasti provodenja u oblast direktnog zakocenja, ova komponenta dovodi smanjenjem anodne struje, a to znaci da ova karakteristika nije reverzibilna. Kada se struja smanji ispod struje držanja IH, karakteristika se vraca direktno u koordinatni pocetak - slika 10.1 c). Da bi se objasnio izgled karakteristike, dinistor se predstavlja pomocu dva tranzistora vezana kao na slici 10.1 b). Četveroslojna struktura može da se promatra kao veza pnp i npn tranzistora, koji nastaju dijeljenjem P2 i N1 oblasti na dva jednaka dijela. Oblasti P1 i N2 su jace dopirane i predstavljaju emitere pnp i npn ekvivalentnih tranzistora, respektivno, dok su slojevi P2 i N1 slabije dopirani. Tako, emiter prvog tranzistora (oblast P1) predstavlja anodu, a emiter drugog tranzistora (oblast N2) katodu dinistora. Uocljivo je da ako tranzistor T2 vodi, onda je kolektorska struja tranzistora T2, ujedno i bazna struja tranzistora T1, pa i tranzistor T1 vodi (uz pozitivan napon na emiteru tranzistora T1, oznacenom kao anoda), te se ulazna struja Il grana kroz spoj miter-baza i kroz spoj emiter-kolektor tranzistora T1, i izlazi kao emiterska struja I3 tranzistora T2. Ako je tranzistor T2 zakocen, zakocen je i tranzistor T1, jer nikakva struja ne tece u njegovu bazu (bez obzira što pozitivan napon izmedu katode i anode može biti prisutan). Oba tranzistora su ili u zasicenju (kada vode) ili su zakoceni.
Pri direktnoj polarizaciji dinistora-slika 10.1 b), struja emitera prvog tranzistora je oznacena kao Il, a sa I3 je oznacena struja emitera drugog tranzistora i ove struje su jednake. Zbog toga vrijedi da je
(prelaz S1 na slici 10.1 a)) je polariziran kao u normalnoj polarizaciji tranzistora Struju baze jednog tranzistora cini struja curenja (inverzna kolektorska struja zasicenja) kolektorskog spoja drugog tranzistora. Sa porastom anodnog napona, struje curenja (koje ujedno predstavljaju i bazne struje) rastu, pa rastu i kolektorske struje R puta, a samim tim i koeficijenti strujnog pojacanja a. Kada zbir (al + a2) dostigne iznos 1 (vidi jednacinu (10.2)), iznos anodne struje (koja teoretski postaje beskonacana) više nije upravljan poluvodickom komponentom, nego spoljašnjim kolom (naponom). Oba tranzistora se sada nalaze u zasicenju, napon na dinistoru pada i kažemo da je došlo do provodenja cetveroslojne pnpn diode.
Pri smanjenju spoljne struje, kada (a1 + a2) postane manje od jedan, regenerativno svojstvo prestaje i dinistor se gasi. Pri inverznoj polarizaciji dinistora, spojevi S1 i S3 su inverzno polarizirani, pa ne dolazi do provodenja struje. Ako se promatra slika 10.1. b), može se reci da su oba tranzistora zakocena, pa su koeficijenti strujnog pojacanja a mali i struja IA je prakticno jednaka inverznoj struji zasicenja, odnosno, može se smatrati da je njen iznos nula.

TIRISTOR je cetveroslojna elektronicka struktura (pnpn), i pritom je spolja dostupno p podrucje nazvano anoda (A), a spolja dostupno n podrucje katoda (K). Katodi susjedno p podrucje (što je zapravo baza tranzistora T2 i ima vanjski prikljucak) zove se vrata (gejt G). Poprecni presjek tiristora je prikazan na slici 10.2 a) a njegov simbol na slici 10.2 b).
Simbol za tiristor ukazuje na ispravljacko dejstvo tiristora (dioda), a prikljucak vrata govori zašto se ova komponenta zove upravljani ispravljac. Na slici 10.2 c) je prikazan tiristor kao cetveroslojna komponenta sa tri pn spoja. Ovo znaci da se tiristor može promatrati kao tri serijski vezane diode, od kojih su dvije orijentirane u istom smjeru, a jedna suprotno. Svaki pn spoj nosi sa sobom i svoje kapacitivnosti. Ovaj model ipak ne može poslužiti za objašnjenje nacina prevodenja tiristora iz stanja kocenja u stanje vodenja. Specificnost tiristora je mogucnost da se preko elektrode vrata injektira naboj (struja), kroz spoj S3, cime se povecava struja baze tranzistora T2, što ubrzava provodenje tiristora i stvaranje uvjeta za regenerativni proces. Zato je za provodenje tiristora, dovoljno dovesti kratkotrajan impuls, pozitivan u odnosu na napon katode, kojice uzrokovati da tranzistor T2 provede. Zbog toga, baza tranzistora T2 predstavlja upravljacku elektrodu tiristora i oznacava se sa G (gate-vrata). Ukoliko je struja vrata veca, lakše dolazi do paljenja, odnosno, potreban je manji anodni napon za paljenje tiristora. Medutim, nakon što je tiristor proveo, struja vrata više ne može uticati na rad tiristora, odnosno, tiristor se ne može ugasiti dovodenjem struje vrata na nulu. Kada je prikljucen na izmjenicni izvor, jacina struje kroz tiristor odabire se trenutkom „paljenja" tiristora (aktiviranje kratkog impulsa vrata). Ako se trenutak „paljenja" (ugao paljenja) izabere tako, da se vrata aktiviraju na pocetku pozitivne poluperiode anodnog napona, onda ce i struja tiristora biti velika (i proticace, sve dok traje pozitivna poluperioda). Ako je trenutak „paljenja" izabran da se vrata aktiviraju pri kraju pozitivne poluperiode anodnog napona, onda ce i struja tiristora biti mala (i proticace samo do kraja pozitivne poluperiode). Takode treba imati na umu da se tiristor ne može upaliti ako je napon izmedu vrata i katode negativan, nezavisno od anodnog napona. I-u karakteristika tiristora je prikazana na slici 10.2 f) i može se uociti smanjenje napona paljenja sa porastom struje vrata.

Minimalne vrijednost anodne struje i napona anoda-katoda pri kojima tiristor ostaje ukljucen, zovu se struja i napon držanja IH i VH (hold value). Dakle, tiristor se iskljucuje ako struja u glavnom strujnom krugu (anodna struja) opadne ispod iznosa struje držanja.To se postiže na više nacina: smanjenjem struje kroz potrošac, preko smanjenja pobudnog napona ili kocenjem npn tranzistora preko „izvlacenja" struje iz vrata. Prilikom izbora tiristora, cije se paljenje upravlja strujom vrata, treba voditi racuna da napon paljenja UDPAO i inverzni napon proboja UIPR, pri IG=0, budu veci od amplitude ulaznog (izmjenicnog) signala koji se ukljucuje.

Tako, pri dovodenju standardnog mrežnog napona od 220 V, njegova amplituda iznosi 220 2 =311 V, pa treba izabrati tiristor sa naponima UDPAO i UIPR koji su iznosa oko 350 V, da bi se ostvarilo sigurno ukljucenje u željenom trenutku i pri promjenama mrežnog napona, za 10% nominalne vrijednosti

Parametri tiristora

Najvažniji parametar tiristora je maksimalna radna temperatura spoja TSmax. Najveca ogranicenja u radu sa tiristorom, proizilaze upravo zbog toga. Temperatura spoja (TS) zavisi od temperature okoline (To), termicke otpornosti izmedu spoja i okoline (Rth) i disipirane snage (Pd), pa je :

Tako, za maksimalnu temperaturu okoline, datutermicku otpornost i datu maksimalnu temperaturu spoja, može se odrediti maksimalna snaga disipacije (ona se može povecati smanjenjem Rth, odnosno boljim hladenjem). Sljedeci znacajan parametar je maksimalni direktni napon (UDOmax), koji se može prikljuciti pri IG=0 i pri TSmax. Obzirom da je svaka struja „curenja" (inverzna struja diode) temperaturno ovisna, ovaj parametar je od velikog znacaja. Velicina ovog napona zavisi od širina pojedinih p i n podrucja u tiristoru, kao i od koncentracije primjesa, i on obicno iznosi od nekoliko desetina volta, do nekoliko stotina volta. Takode je veoma važno definirati i maksimalni inverzni napon (UIOmax), koji se može prikljuciti pri IG=0 i pri TSmax. Za rad tiristora je važna i brzina porasta napona izmedu anode i katode (du/dt) i ako se ona prekoraci tiristor može biti preveden u ublast provodenja preko parazitnih kapaciteta spojeva od anode do vrata (G), cak i ako nije doveden vanjski (komandni) impuls struje vrata. Pri brzoj promjeni anodnog napona, kapaciteti naemiterskim i kolektorskim spojevima tranzistora, u ekvivalentnom modelu, pune se strujom iCAP=Cdu/dt. Uocljivo je da vecoj brzini promjene napona odgovara veca struja kroz kondenzator. Ova kapacitivna struja dospjeva u bazunpn tranzistora, i izaziva ukljucenje tiristora, po istom mehanizmu, kao i struja vrata. Iz ovoga slijedi, da su prekidacka svojstva tiristora (definirana sa du/dt) veca, ako su njegove parazitne kapacitivnosti manje. U cilju sprijecavanja nekontroliranog ukljucenja tiristora, pri velikim brzinama promjene anodnog napona, izmedu anode i katode se u spoljnom krugu paralelno vezuje kondenzator i otpornik, koji usporava promjenu anodnog napona u vremenu. Ovo kolo se zove zaštitno kolo (snubber) i ono sprijecava ukljucenje tiristora, kada brzina promjene anodnog napona u vremenu, premaši njegovu du/dt sposobnost. Tipicne vrijednosti ove velicine (du/dt) kod tiristora iznose (10-25 )V/u.s. Često se u kolu vrata ugraduje mali omski otpor izmedu vrata i katode, koji obezbjeduje put za inverznu („curecu") struju spoja S3, cime se postiže manja osjetljivost tiristora na temperaturu, kao i na du/dt. Ovim se, kao neželjeni efekat, smanjuje osjetljivost pri ukljucivanju tiristora (ovo se korigira vecom strujom vrata). Kod tiristora srednje snage, cesto je poželjno povecanje struje vrata pri paljenju IPA, kako bi se eliminirala nesigurnost pri paljenju, usljed generiranja malih slucajnih impulsa. Sa stanovišta karakterizacije tiristora, važan je i pad napona na tiristoru, kada tiristor vodi, a koji obicno iznosi izmedu 1 V i 2 V. Kolo vrata je od odlucujuceg znacaja za paljenje tiristora i zato treba voditi racuna da se dostigne željeni napon i struja na vratima za pouzdano paljenje, a da se ne prekorace zadane vršne i srednje vrijednosti snage na vratima tiristora i da se dostigne željena brzina prebacivanja iz provodnog u neprovodno stanje. U mnogim primjenama, na vrata se dovode impulsi velike snage (velike amplitude), kako bi se trenutak paljenja precizno definirao. Uobicajene vrijednosti za sve tiristore srednje snage su : PGmax~5W, PGSr ~0,5W, a struja (vrata) paljenja IPA ~50 mA, napon vrata (u odnosu na katodu) pri paljenju UPA ~3 V. 10.2. Ostale višeslojne komponente
Na bazi cetveroslojnih i petoslojnih struktura ostvaren je citav niz tiristora koji imaju neka specificna svojstva, kao što su strukture sa šentiranim emiterskim prelazom, dijak i trijak.

Struktura pnpn tipa sa šentiranim emiterskim prelazom

Da bi se povecala du/dt sposobnost tiristora, a takode eliminirao uticaj povecanja temperature, preduzimaju se posebne konstrukcione mjere. Najcešce se pravi tiristor sa kratko spojenim emiterom (sa šentiranim emiterskim prelazom). Sa slike 10.3 je uocljivo da elektroda katode pokriva i dio oblasti vrata (sloj P1), ali na najudaljenijoj tacki u odnosu na elektrodu vrata. Kada se na ovakvu strukturu prikljuci anodni napon polariteta kao na slici 10.3, a na upravljacku elektrodu G se ne dovodi napon (uGK=0), dolazi do direktne polarizacije prelaznih spojeva P1 i P3, a prelazni spoj P2 je inverzno polariziran.

Pretpostavimo sada da napon izmedu A i K ima takvu vrijednost da tiristor ne provodi struju. Kako je spoj P2 inverzno polariziran, kroz njega ce proticati inverzna struja. Zbog toga ce šupljine prelaziti iz sloja n2 u sloj pl, i kroz sloj pl odlaziti na katodu. Ako se poveca temperatura, šupljine ce obrazovati vecu inverznu struju, koja ce teci opisanim putem. Kada bi katoda pokrivala samo oblastnl, tada bi ova struja tekla i kroz zaporni sloj P1, kao kod obicnog tiristora. Na taj nacin se izmedu vrata i katode uspostavlja struja, koja ne prolazi kroz spoj plnl. Ovim se smanjuje mogucnost neželjenog ukljucenja tiristora usljed porasta inverznih struja pri povecanju temperature. Takode, ovim šentiranjem se dio struje koja nastaje u parazitnim kondenzatorima pri brzoj promjeni anodnog napona, odvodi bez pojacanja u katodu, kao da je izmedu katode i vrata vezan otpornik. U literaturi je pokazano da tiristor sa šentiranim emiterom ima veoma malo strujno pojacanje npn ekvivalentnog tranzistora, kada je napon vrata-katoda jednak nuli. Ovim se otežava ukljucenje tiristora pri naponu vrata-katoda koji je jednak nuli, što poboljšava du/dt sposobnosti tiristora i takode smanjuje mogucnost njegovog neželjenog ukljucenja. Pri naponima vrata-katoda reda desetak volta, strujno pojacanje raste na vrijednost, koja bi postojala da nema efekta šentiranja. Zahvaljujuci izvedbi sa slike 10.3. ovakva struktura može podnijeti više temperature nego obicni tiristor, a takode je manje izražen i efekat du/dt, u odnosu na obicni tiristor.

ZAKLJUČAK

Da vam kratko i jasno pokušam objaniti sta su tiristori:
tiristor je poluvodički element sastavljen od 4 sloja silicija dopiranog PNPN. Na prvi pogled to se čini kao barijera za protok struje u obje strane. No kad bolje pogledamo mogu se uočiti 2 komplementarna tranzistora, koji dijele po 2 sloja tako da su im kolektori i baze virtualno povezani. Tiristor kao i dioda ima elektrode katodu i anodu, i treću nazvanu gate. Gate se obično spaja na virtualnu bazu NPN tranzistora. Kad priključimo anodu i katodu na napon tiristor ne provodi, u nijednom smijeru. Ako na gate dovedemo mali naponski impuls prvi tranzistor dolazi u vođenje, podiže napon na bazi svog komplementarnog para (PNP) stavljajući i njega u vođenje. Kad i taj tranzistor provede on podiže napon na bazi NPN tranzistora (gateu), s tim i sam dobiva veći napon na svojoj bazi dok oba tranzistora nebudu potpuno u vođenju. U stvarnosti se to događa gotovo trenutačno, nakon kratkog naponskog impulsa na gateu tiristor počinje voditi i može naravno provesti vrlo veliku struju u odnosu na struju gatea. Jednom uključen tiristor vodi neovisno o naponu gatea sve dok struja kroz njega ne padne na nulu, ili napon nepadne ispod radne točke tranzistora. Postoje još neke varijacije poput GTO (Gate Turn Off) tiristora koji su tako napravljeni da se napon na gate -u ipak može srušiti na nulu i tranzistor staviti u nevođenje, unatoč struji kroz tiristor, pa tiristorske tetrode, koje imaju 2 gatea (gate 1 i 2) na bazama oba tranzistora i mogu ih također koristiti za paljenje i gašenje, itd...

LITERATURA :

preuzmi seminarski rad u wordu » » »

PRIMJENJENA ELEKTRONIKA

Silikon kontrolisana pojačala (SRC)

Parametri tiristora

Struktura pnpn tipa sa šentiranim emiterskim prelazom