книги / Общая электротехника и электроника. Физические основы и элементная база электроники

на катод минус, то эмиттерные переходы будут открыты, а коллекторные закрыты, что соответствует нормальному (усилительному) режиму работы транзисторов. В этом случае ток перехода П2 может быть найден как сумма токов коллектора VT1 и VT2:

7П 2 = ( 7к, + / К1 ) + (7к2 + / к2 ) = 7 К, + / К2 + 1 К\.О ’

где / к 0- обратный ток закрытого перехода П2 .

Токи всех трех переходов и внешней цепи должны быть равны, так как это токи одной цепи. Тогда ток анода

В тиристорных структурах база выполняется широкой, поэтому oti и (Х2 значительно меньше единицы и могут принимать значение 0,1-0,2. То­ гда, как видно из (4.1), ток анода будет соизмерим с током 1К0 и не пре­ высит долей миллиампера. Однако с увеличением напряжения на аноде за счет эффекта модуляции базы а возрастает и при некоторой величине на­ пряжения, называемой напряжением открывания (включения) тиристора (cti + СХ2 ), становится равным единице, и, следовательно, анодный ток стремится к бесконечности (4.1). В открытом состоянии сопротивление структуры очень мало и падение напряжения анод - катод не превышает 1,5-2 В. Вольт-амперная характеристика динистора представлена на рис. 4.3. Для ограничения тока анода при открывании динистора последо­ вательно с ним необходимо включить внешнее сопротивление (рис. 4.4). В этом случае Еп = С/а + / а/?. Задаваясь значениями / а = 0 и £/а = 0,

можно построить нагрузочную прямую, точки пересечения которой со ста­ тической ВАХ динистора определят значение тока и напряжения в такой цепи. Как видно из рис. 4.5, при ЭДС Еп происходит включение динисто­

ра и устанавливается ток 1^ При уменьшении ЭДС ток анода будет уменьшаться, и при Еп^ динистор выключится и установится ток / a^ , ко­ торый значительно меньше / а Крайние точки на ВАХ А и В называются

точками включения и выключения, ток анода в точке В - током удержания, а в точке А - током включения (см. рис. 4.3).

При обратной полярности приложенного напряжения к тиристору эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 (см. рис. 4.2) закрыты, а следовательно, закрыты и сами транзи­ сторы. Открыть их можно только путем пробоя этих переходов. Поэтому обрат­ ная ветвь ВАХ аналогична обычному

диоду (см. рис. 4.3).

Величину напряжения включения можно регулировать, меняя ток базы од­ ного из транзисторов (см. рис. 4.2). Для этого один из слоев имеет вывод - управ­ ляющий электрод.

Рис. 4.5 Подавая напряжение между УЭ и ка­ тодом (рис. 4.6, а) или между УЭ и ано­ дом (рис. 4.6, б), напряжение включения можно изменять в широких пре­

делах. На рис. 4.6, в и г показано условно-графическое обозначение таких тринисторов.

Изменяя напряжение (ток) управляющего электрода, можно получить семейство ВАХ, которые имеют разное значение напряжения включения. На рис. 4.7 / у1< / у2< < / уз

Следует отметить, что тринистор, в отличие от транзистора, - полууправляемый прибор. Его можно включить, подавая напряжение на УЭ, а отключить с помощью управляющего электрода нельзя. Для выключения необходимо, чтобы анодный ток снизился до значения тока удержания, т.е. чтобы избыточные носители в базе «рассосались».

Рис. 4.6

Внастоящее время имеются полностью управляемые тиристоры, но они уступают тринисторам по предельно допустимым параметрам. Поэто­ му тринистор удобнее исполь­ зовать в цепях переменного то­ ка, где он сам выключается при отрицательной полуволне пере­ менного напряжения.

Вцепях постоянного тока

необходимо принудительно вы­ ключать («гасить») тринистор. Чаще всего в качестве гасящего элемента используется емкость. Схема емкостного гашения

представлена на рис. 4.8. Для включения силового тиристора Тс подается короткий импульс на УЭ этого тиристора. При этом нагрузка RHподклю­ чается к источнику питания £/п, а емкость через гасящее сопротивление Rr

и открытый Тс заряжается (полярность указана на схеме). Для отключения нагрузки от источника питания подается импульс на УЭ тиристора гаше­ ния Тг. Тиристор включается, и емкость С через открытые тиристоры Тг и Тс разряжается. При этом ток разряда IQ протекает встречно току нагрузки

/н, и если они равны, то анодный ток становится равным нулю и тиристор Тс выключится.

Л„

о

Рис. 4.9

В цепях переменного тока для включения и отключения нагрузки необходимо использовать два встречно параллельных тринистора (рис. 4.9), что делает схему дорогой и менее надежной. Для цепей переменного тока были разработаны симметричные тиристоры (симисторы). Структура тако­ го симистора представлена на рис. 4.10.

Рис. 4.10 Рис. 4.11 Рис. 4.12

Как видно из рисунка, слева и справа от вертикальной оси (показана пунктиром) имеются две четырехслойные структуры щ -р-п-р и р-п-р-п2 с общим анодом и катодом (рис. 4.11). При переменном напряжении вклю­ чается поочередно один из динисторов и в цепи протекает переменный ток. Если вывести наружу один из слоев р, то можно получить управляе­ мый симистор. Схема включения такого симистора представлена на рис. 4.12.

За счет широкой базы и большой площади переходов динисторы, тринисторы, симисторы имеют значительно ббльшие допустимые напряжения и токи по сравнению с транзисторами. В этом их основное достоинство. Недостатком этих приборов является то, что они полууправляемые и в це-

пях постоянного тока требуют дополнительной схемы гашения, что снижа­ ет их надежность и делает более дорогими. Тиристоры и симисторы нашли широкое применение в мощных управляемых выпрямителях, инверторах и преобразователях постоянного напряжения в переменное, а также в уст­ ройствах включения и выключения мощных потребителей. Тиристорные силовые контакторы, предназначенные для коммутации двигателей пере­ менного тока, имеют неоспоримые преимущества перед электромеханиче­ скими контакторами и широко используются в схемах электроприводов.

4.2. Полупроводниковые терморезисторы (термисторы)

Принцип действия термистора основан на свойстве полупроводника изменять свое сопротивление при изменении температуры. Как было пока­ зано ранее, удельная электропроводность собственного полупроводника о = erij(\in + \ip)> Учитывая, что концентрация носителей в собственном

С учетом полученной формулы (4.3) температурная характеристика термистора представлена на рис. 4.13.

Достоинством термистора, по сравнению с медным термометром со­ противления, является его высокая чувствительность. Так, при изменении температуры от 20 до 100 °С сопротивление термистора изменяется в 3040 раз, в то время как у медного термометра лишь на 30 %. К недостаткам следует отнести нелинейность температурной характеристики, однако в небольшом диапазоне изменения температур эта погрешность будет неве­ лика. Достоинством термистора являются также его небольшие габариты, что позволяет размещать этот датчик внутри механизма непосредственно в зоне, где требуется измерять температуру.

Вольт-амперная характеристика термистора имеет два участка (рис. 4.14). Участок I близок к линейному закону, и на этом участке рабо­ тают датчики температуры. Участок П не подчиняется линейному закону, и это связано с саморазогревом термистора собственным током. На этом участке могут быть три вида характеристик в зависимости от соотношения

, А/ AR

изменения тока и сопротивления — и — . Действительно, пусть при

Чм

увеличении тока на А/, сопротивление за счет разогрева от этого тока уменьшается на величину AR. Тогда падение напряжения на термисторе

U = (Я0 - ДД)(/0 + AI) = / у о ~ А д а + ^

Пренебрегая величиной второго порядка малости ARAI, получим

U = R QI 0 - I 0A R + R0A I ,

где / 0 - ток в любой точке на участке II; R0 - сопротивление термистора в этой же точке на участке II.

Относительное изменение напряжения

U_ = Д/ _ ДЛ + 1

Л/

уменьшаться (ВАХ 1).

/о

Вольт-амперные характеристики на участке II используются в стаби­ лизаторах (ВАХ 2) и в схемах термореле (ВАХ 1). Термореле позволяет фиксировать заданный уровень температуры (аварийные защиты от пере­ грева, отключение трубчатых энергонагревателей при разогреве окружаю­ щей среды до заданной температуры и т.д.). Схема включения термистора в этом случае представлена на рис. 4.15. Пока температура меньше допус­

тимой, сопротивление термистора высокое и ток в цепи 1\ меньше, чем ток срабатывания реле. Как только температура достигнет допустимой вели­ чины Гдоп, сопротивление термистора скачком уменьшится и ток в цепи достигнет величины тока срабатывания реле /ср (рис. 4.16).

4.3. Полупроводниковые тензорезисторы

Тензоэффект - это эффект изменения проводимости под действием механических напряжений. В качестве тензорезистора (тензодатчика) ис­ пользуются металлы и полупроводники. В металлах тензоэффект связан с изменением размеров металлического проводника, а в полупроводниках -

в основном с изменением удельной проводимости под действием механи­ ческих напряжений. Изменение проводимости объясняется тем, что при деформации изменяется расстояние между атомами кристаллической ре­ шетки, в результате чего меняются концентрация свободных электронов и проводимость полупроводника.

Основным достоинством полупроводниковых тензорезисторов является большой коэффициент тензочувствительности. Если для металла

д этот коэффициент составляет - 1,5 единицы, то для полу­ проводника - в десятки раз больше. Кроме того, полу­

Рис. 4.17 проводниковые тензорезисторы имеют несравнимо меньшие габариты, что позволяет разместить их на малых площадях дета­

лей, в которых необходимо измерять механические напряжения. К недос­ таткам следует отнести зависимость сопротивления датчика от температу­ ры, поэтому требуется обязательная температурная компенсация погреш­ ности таких датчиков.

При измерении механических напряжений танзодатчик обычно вклю­ чается в схему уравновешенного моста (рис. 4.17).

4.4. Полупроводниковые датчики с гальваномагнитным эффектом

Гальваномагнитный эффект - это явление, происходящее в полупро­ воднике при одновременном действии на него электрического и магнитно­ го полей. При таком воздействии на гранях кристалла образуется ЭДС, пропорциональная произведению ин­ дукции В и тока I. Такой эффект назы­ вается эффектом Холла, а датчик, ис­ пользующий данный эффект, - датчи­ ком Холла. Суть этого эффекта в сле­ дующем. Возьмем кристалл полупро­ водника /7-типа и поместим его в маг­ нитное и электрическое поля, кото­ рые перпендикулярны друг другу (рис. 4.18). Пусть электрическое поле действует по оси z, а магнитное - по