Dispozitive Semiconductoare Multijoncţiune: Capitolul 8

Capitolul 8 Dispozitive semiconductoare multijoncţiune Comentariu:

Structurile de acest tip au o comportare bistabilă şi anume: 1. starea de conducţie caracterizată prin valori mici ale rezistentelor dintre divese terminale; dispozitivul se comportă ca un scurtcircuit; 2. starea de blocare caracterizată prin valori mari ale rezistentelor dintre divese terminale; dispozitivul se comportă ca un circuit întrerupt.

Lucian Balut

1

Capitolul 8 Dispozitive semiconductoare multijoncţiune 8.1 8.2 8.3 8.4

Tiristorul; Preliminarii Comportarea tiristorului în regim cvasistatic de semnal mare Tiristorul; Aplicaţii Alte dispozitive multijoncţiune

Lucian Balut

2

8.1 Tiristorul; Preliminarii Definitie: Tiristorul este un dispozitiv electronic multijoncţiune care are comportamentul unei diode căreia i s-a ataşat un terminal suplimentar (poartă sau grilă). Acest terminal are capacitatea de controla momentul comutării directe (din blocare în conducţie). Trebuie totuşi subliniat, că tiristorul este din punct de vedere funcţional diferit de diodă întrucât el, chiar în condiţiile unei polarizări directe, nu conduce (nu comută) dacă nu există comandă pe poartă. Prezentul subcapitol işi propune să prezinte: 8.1.1 8.1.2

Structurã, simbol, notaţii; Principiul de funcţionare;

Lucian Balut

3

8.1 Tiristorul; Preliminarii 8.1.1 Structurã, simbol, notaţii A iA G

vA

iG

vG C

A C G

anod; catod; grilă sau poartă;

iA iG vA vG

curentul principal; curentul de comandă caderea de tensiune pe tiristor tensiune de comanda

Lucian Balut

4

8.1 Tiristorul; Preliminarii 8.1.2 Principiul de functionare Comentariu: In funcţionare normală, tiristorul prezintă două stări – ambele stabile: 1. stare de conducţie, stare în care tiristorul se comportă ca un scurtcircuit, şi; 2. starea de blocare stare în care tiristorul se comportă ca un circuit întrerupt. Probleme: Prezenta secţiune îşi propune să prezinte: a.) condiţiile în care tiristorul poate bascula dintr-o stare în alta. b.) conditiile care garanteaza stabilitatea starilor

Lucian Balut

5

8.1 Tiristorul; Preliminarii 8.1.2 Principiul de functionare 1. Amorsarea tiristorului. Definitie:

Cunoscut de asemenea sub denumirea de comutare directă, procesul de amorsare reprezintă tranziţia de la starea de blocare la starea de conducţie.

Observatie:

Pentru a se realiza această tranzitie este necesar să fie îndeplinite simultan două condiţii: Polarizare directă a tiristorului (plus pe anod şi minus pe catod şi Comandă pe poartă.

a.) b.)

Lucian Balut

6

8.1 Tiristorul; Preliminarii 8.1.2 Principiul de functionare 1. Amorsarea tiristorului. Explicatia procesului A

iG↑→iBT1 ↑→(iCT1=iBT2) ↑→iCT2 ↑→iBT1 ↑ T1 G

T2

Proces regenerativ

C

Observatii -

Procesul se opreşte atunci când cele două tranzistoare se saturează ceea ce echivalează cu comutarea structurii.

-

Saturarea tranzistoarelor asigura stabilitatea starii de conductie Lucian Balut

7

8.1 Tiristorul; Preliminarii 8.1.2 Principiul de functionare 1. Amorsarea tiristorului. - amorsari parazite Există în principal doi factori care pot da naştere acestor amorsări: temperatura;

creşterea temperaturii duce a creşterea curentului rezidual al celor două tranzistoare; la un anumit moment se poate declanşa procesul amintit anterior.

efectul dvA/dt; variaţia foarte rapida a tensiunii anodice poate induce în structură – datorită capacitaţilor parazite – un curent de deplasare; acest curent poate duce la amorsarea procesului regenerativ

Lucian Balut

8

8.2 Comportare tiristorului în regim cvasistatic de semnal mare În ciuda faptului că tiristorul nu este folosit în acest regim, analiza lui este instructivă întrucât se pot trage concluzii legate de limitările în funcţionare ale dispozitivului. Ca atare structura subcapitolului este:

8.2.1 Caracteristici statice; 8.2.2 Modele de semnal mare pentru tiristor; 8.2.3 Limitări în funcţionare.

Lucian Balut

9

8.2 Comportare tiristorului în regim cvasistatic de semnal mare 8.2.1 Caracteristici statice ale tiristorului Caracteristicile statice utilizate în mod frecvent sunt:

iA  iA v A , iG 

Caracteristica de iesire

iG  iG vG , vA 

Caracteristica de comanda

Lucian Balut

10

8.2 Comportare tiristorului în regim cvasistatic de semnal mare 8.2.1 Caracteristici statice ale tiristorului iA  iA v A , iG 

Caracteristica de iesire iA

5 4 3 2

iG0=0 iG1>iG0 IH H

VBR VBD1

1

VBR VBDi

VH VBD3 VBD2 VBD1 vA VBD1

IH VH

tensiune de străpungere; tensiune de blocare la polarizare directă (i=1,2.3) curent de menţinere; tensiune de menţinere;

Lucian Balut

11

8.2 Comportare tiristorului în regim cvasistatic de semnal mare 8.2.1 Caracteristici statice ale tiristorului iA  iA v A , iG 

Caracteristica de iesire iA

5 4 3 2

iG0=0 iG1>iG0 IH H

VBR VBD1

1

VH VBD3 VBD2 VBD1 vA VBD1

1. Regiune de străpungere; 2. Regiune de blocare la polarizare inversă; 3. Regiune de blocare la polarizare directă; 4. Regiune de rezistenţă negativă; 5. Regiune de conducţie;

Lucian Balut

12

8.2 Comportare tiristorului în regim cvasistatic de semnal mare 8.2.2 Modele liniare pentru tiristor A

A

C

C

Tiristor blocat

Tiristor in conductie

Lucian Balut

13

8.3 Aplicaţie. Redresor monoalternanţă comandat a.) schema

Tr

b) rolul elementelor notatii folosite Tr RL T vS vA vL

iG

transformator de alimentare; sarcina rezistivă; tiristor; tensiune din secundarul transformatorului (valoare instantanee); cădere de tensiune pe tiristor (valoare instantanee); cădere de tensiune sarcină (valoare instantanee); curent de comandă (impuls).

Vp

iL Vs

RL T

Lucian Balut

vL iG

vA

14

8.3 Aplicaţie. Redresor monoalternanţă comandat c.) analiza de semnal mare TK2

v L  v L vS 

v S t   v L t   v A t 

vL t   RL iL t 

v S t   Vs sin  t Tr Vp

iL Vs

În concluzie, explicitarea relaţiei vL=vL(vS) se reduce la determinarea expresiei curentului iL.

RL T

Lucian Balut

vL iG

vA

15

8.3 Aplicaţie. Redresor monoalternanţă comandat v L  v L vS 

c.) analiza de semnal mare

vs

Tr Vp

iL Vs

t

RL T

vL iG

vA

iG t

vA

t

vL

0

t1 t2

t3t4 t5 t6t7 t8

Lucian Balut

t

16

8.3 Aplicaţie. Redresor monoalternanţă comandat v L  v L vS 

c.) analiza de semnal mare I.)

t  kT, t1  kT  kZ Tr

Vp

iL Tr

Vs

RL T

iL t   0

vL t   0

vL iG

vA

Vp

vs

T blocat

t

iL Vs

iG RL T

vL vA

t

vA

t

vL

0

t1 t2

Lucian Balut

t3t4 t5 t6t7 t8

t

17

8.3 Aplicaţie. Redresor monoalternanţă comandat v L  v L vS 

c.) analiza de semnal mare II.) t  t1  kT, t 2  kT  kZ Tr Vp

iL Tr

Vs

RL T

vL iG

vA

Vs sin  t i L t   RL

v L t   Vs sin  t

Vp

vs

T conduce

t

iL Vs

iG RL T

vL vA

t

vA

t

vL

0

t1 t2

Lucian Balut

t3t4 t5 t6t7 t8

t

18

8.3 Aplicaţie. Redresor monoalternanţă comandat v L  v L vS 

c.) analiza de semnal mare III.) t  t 2  kT, t 3  kT  kZ Tr Vp

iL Tr

Vs

RL T

iL t   0

vL t   0

vL iG

vA

Vp

vs

T blocat

t

iL Vs

iG RL T

vL vA

t

vA

t

vL

0

t1 t2

Lucian Balut

t3t4 t5 t6t7 t8

t

19

8.3 Aplicaţie. Redresor monoalternanţă comandat vs

c.) analiza de semnal mare

t

Tr Vp

iL Vs

iG

RL T

vL iG

t

vA

vA

t

vL

v L  v L vS 

0

t1 t2

t3t4 t5 t6t7 t8

t

0 pentru t  (kT , t1  kT )  (t 2  kT , t3  kT ) kZ v L (t )   Vs sin  t pentru t  (t1  kT , t 2  kT ) kZ Lucian Balut

20

8.4 Alte dispozitive multijoncţiune Comentariu: Dacă tiristorul este considerat dispozitivul cel mai important în gama dispozitivelor multijoctiune, trebuie totuşi menţionat că există în fapt o gamă largă de alte dipozitive. Poate ar trebui spus că există chiar şi o diversitate de tipuri de tiristoare. Dacă tiristorul prezentat este cunoscut şi sub denumirea de tiristor “clasic”, există tiristorul cu blocare - tiristor care poate fi blocat prin comanda pe poartă. Chiar şi acesta există în mai multe variante: - Distributed Buffer – Gate Turn-off Thyristor (DB-GTO); - Gate Turn-off Thyristor (GTO thyristor) - Modified Anode - Gate Turn-off Thyristor (MA-GTO); la care se adaugă: - Mosfet Controlled Thyristor (MCT); două structuri de tranzistoare cu efect de câmp pentru controlul comutării directe şi inverse; - Static Induction Thyristor (SIT) sau Field Controlled Thyristor (FCT) Prezentul subcapitol va prezenta, sumar însă, triacul, diacul şi dioda pnpn (sau dioda Shockley) dispozitive multistrat devenite clasice. Lucian Balut

21

8.4 Alte dispozitive multijoncţiune 8.4.1 Triacul (tiristorul bidirecţional) Observatie:

dispozitiv cu cinci straturi. iT1T2

T2 6

iG4

5

iG3

vT1T2

G

3

T1

Structura

4

Simbol

2

iG2 1

iG1

Caracteristica statica Lucian Balut

22

8.4 Alte dispozitive multijoncţiune 8.4.1 Triacul (tiristorul bidirecţional) Aplicatie

vs

Tr Vp

iL Vs

t

RL Tc

vL iG vA

iG t

vT1T2

t

vL

t

Lucian Balut

23

8.4 Alte dispozitive multijoncţiune 8.4.2 Diac Dispozitiv de mică putere utilizat în comanda circuitelor de forţă ce conţin tiristoare sau triace. Poate fi amorsat atât pe alternanţa negativa cât şi pe cea negativă iT1T2

Observatie:

T2 6 5 4 vT1T2 3 2 1

T1

Simbol

Caracteristica statica Lucian Balut

24