При достаточно большом обратном напряжении происходит электрический пробой диода. Основными параметрами выпрямительных диодов являются: напряжение пробоя U_обр, максимальный прямой ток I_{пр max}, максимальный обратный ток (до наступления пробоя) I_{обр max}, граничная частота f_гр {Explain}. Выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные. Это разделение происходит в зависимости от технологии производства, определяющей размеры p­n­ перехода.

Плоскостные диоды

Технология изготовления плоскостных диодов такова. Из пластины полупроводника n­ типа толщиной в несколько долей мм вырезают квадратные пластинки площадью 2-4мм². на поверхности каждой расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой, при этом атомы индия диффундируют в глубь пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости. На границе этой области и остального объема кристалла р-типа возникает p­n­ переход. В качестве контактов для электродов к пластинке припаивают металлический диск или стержень, к капельке индия - проволочку. Все устройство помещается в металлический или пластмассовый корпус. Получается плоскостной полупроводниковый диод.

Площадь p­n­ перехода в плоскостном диоде велика. Это значит, что за единицу времени через него может пройти значительное количество носителей заряда. Поэтому плоскостные диоды - это мощные диоды, используемые для выпрямления переменного тока в цепях питания. Однако, вспомним, что p­n­ переход обладает емкостью. Это не играет никакой роли на низких частотах, таких как в сети питания. Но что такое конденсатор для переменного тока высокой частоты? Это реактивное сопротивление, притом, (формула(Н)), чем частота выше, тем это сопротивление меньше. В таком случае сопротивление плоскостного диода при обратном смещении на высокой частоте окажется меньше, чем должно быть и теряет главное его свойство - односторонняя проводимость. Но это еще не все. Электроны и дырки пересекают область p­n­ перехода не мгновенно, а за какое-то конечное время, называемое временем пролета. Если напряжение на диоде меняется с такой же высокой частотой, что период колебаний окажется меньше времени пролета носителей заряда, то не будет успевать определиться с направлением: куда же им выйти. Естественно, что свойства диода, как прибора с односторонней проводимостью в данном случае можно поставить под сомнение. Поэтому плоскостные диоды - это мощные выпрямительные диоды, предназначенные для работы на низких частотах. Имеют большую площадь контакта полупроводников разных типов и большую емкость перехода.

Точечные диоды - напротив, - это маломощные высокочастотные диоды с маленькой площадью и емкостью перехода. Конструктивно точечный диод устроен следующим образом, p­n­ переход в нем образовывается между легированной донорной примесью кремниевой или германиевой пластинкой площадью около 1 мм² (и меньше) и вольфрамовой проволочкой, упирающейся острым концом в пластинку. К ним припаиваются выводы диода. Вся конструкция помещается обычно в стеклянный и пластмассовый корпус. Когда диод собран, его формуют: пропускают ток определенной величины, под действием которого диод нагревается и происходит диффузия вольфрама в кристалл пластинки. В пластинке в месте контакта образуется небольшая область с дырочной проводимостью. Получается p­n­ переход. Пластинка полупроводника, таким образом, является катодом, а вольфрамовая проволочка - анодом точечного диода.

p­n­ переход точечного диода обладает небольшой площадью, а значит и небольшой емкостью. В то же время носителем заряда даже на частотах в сотни магагерц хватает времени пролета, чтобы пересечь p­n­ переход. Их используют в качестве детекторов сигнала при амплитудной модуляции в радиосвязи, в качестве смесительных диодов. В некоторой литературе встречаются такие подтипы диодов, как высокочастотные и импульсные. Это точечные диоды, просто, например импульсные диоды предназначены для использования в качестве ключевых элементов в схеме при малых длительностях импульсов и переходных процессов. А высокочастотным можно назвать любой диод, который может быть использован для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов.

Диод Шотки

Диод Шотки (или Шоттки, что тоже правильно), диод с барьером Шотки - полупроводниковый диод, выполненный на основе металл-полупроводник. Обозначается на схемах так же, как и обычный диод с p­n­ переходом.

Технология изготовления следующая. На очищенную поверхность полупроводникового кристалла (Si, GaAS, реже Ge) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения. В диоде Шотки (в при контактной области полупроводника), как и в диодах с электронно-дырочным переходом (в области этого перехода), возникает потенциальный барьер (барьер Шотки), изменение высоты которого под действием внешнего напряжение (смещения) приводит к изменению тока через прибор. Ток через контакт металл - полупроводник, в отличие от тока через электронно-дырочный переход, обусловлен только основными носителями заряда [39].

Отличительные особенности диодов Шотки по сравнению с полупроводниковыми диодами других типов:

1. Возможность получать требуемую высоту потенциального барьера посредством выбора соответствующего металла;

2. Значительная нелинейность вольтамперной характеристики при малых прямых смещениях;

3. Очень малая инерционность (до 10^-11 сек);

4. Низкий уровень ВЧ шумов; технологическая совместимость с интегральными схемами;

5. Простота изготовления. Диоды Шотки служат главным образом СВЧ - диодами различного назначения (детекторными, смесительными, лавинно-пролетными, параметрическими).

Кроме того, диоды Шотки применяют в качестве преемников излучения, детекторов ядерного излучения, тензодатчиков, модуляторов света; их используют также в выпрямителях тока ВЧ, солнечных батареях и т.д. Диоды Шотки по них электрическим свойствам можно отнести к точечным диодам.

Светодиод

Светодиод (англ. LED - Light-Emitting Diode) - это светоизлучающий прибор, в основе которого лежит р-n-переход, который при прямом смещении испускает спонтанное излучение в видимой, ультрафиолетовой или инфракрасной области спектра.

Светодиод преобразует электрическую энергию в энергию оптического излучения на основе явления инжекционной электролюминесценции (в полупроводниковом кристалле с р-n-переходом, полупроводниковым гетеропереходом либо контактом металл - полупроводник). Принцип его действия представить не сложно: при прямом смещении в активную область р-n-перехода инжектируются неосновные носители заряда. Если это, например, электроны, то они попадают в область, где основными носителями заряда являются дырки. Они рекомбинируют друг друга при этом, «падая» из зоны проводимости в валентную зону на более низкий энергетический уровень. Их прежняя энергия по закону ее же сохранения не девается куда попало, а излучается в виде кванта света. Это может быть видимое, инфракрасное или ультрафиолетовое излучение. Светодиоды испускают некогерентное излучение, но, в отличие от тепловых источников света (ламп накаливания), - с более узким спектром, вследствие чего излучение в видимой области воспринимается как одноцветное. Цвет излучения зависит от полупроводникового материала и его легирования.

Светодиоды изготавливаются в основном на основе соединении типа А^III B^V и еще некоторых других (например GaP, GaAs, SiC), а так же применяются твердые растворы (например GaAs_l-x, Al_xGa_l-xAs, Ga_l-xln_xP). В качестве легирующих примесей используются: GaP-Zn и О (в красных светодиодах) либо N (в зеленых), в GaAS-Si либо Zn и Te (в инфракрасных светодиодах). Сейчас, после того, как японской фирме Sanken Electronics удалось снизить стоимость раннее очень дорогого производства в 10 раз, получает признание технология производства GaN светодиодов, цвет излучения которых легко варьируется с изменением концентрации индия [49].

Светодиоды видимого излучения используют в качестве сигнальных индикаторов. Светодиоды инфракрасного излучения находят применение в устройствах оптической локации, оптической связи, в дальнометрах, пультах управления, устройствах регулирования скорости вращения двигателей, системах сигнализации, матрицы таких светодиодов - в устройствах ввода и вывода информации ЭВМ. В оптововолоконной связи инфракрасные светодиоды конкурируют с родственными им приборами - инжекционными лазерами. Уступая им в частоте модуляции (скорости передачи информации) и спектральной ширине излучения (у лазера он составляет 0,1-1 ангстрем, у светодиода - 100-500 ангстрем). Однако ситуация еще может измениться: в конце 2001 г. Американскому ученому доктору Эндрю Шилдсу (Andrew Shields) и его коллегам из компании Toshiba Research Europe Limited (TREL) и Кембриджского Университета удалось создать диод, который способен испускать один единственный фотон. Такое устройство может стать незаменимым в системах квантовой криптографий в оптоволоконной связи.

Важными параметрами для светодиодов связи являются диапазон рабочих частот и предельная частота , где ф - время жизни из пары носителей заряда до излучательной рекомбинации.

Для светодиодов видимого диапазона важными параметрами являются: цвет свечения; сила света; постоянное прямое напряжение U_пр; номинальный прямой ток I_пр; максимальный постоянный прямой ток I_пр.

Преобразование электрической энергии в энергию светового излучения происходит в результате рекомбинации электронов и дырок. При рекомбинации имеет место возврат электронов в валентную зону, а разность энергии, соответствующая ширине запрещенной зоны, выделяется в виде кванта света (фотона) Рис. 23.

Рис. 23 Энергетическая зонная диаграмма светодиода на основе р-n-перехода, Е₍₂₎ - Е₍₁₎ = hн.

Механизм светового излучения состоит в следующем:

В результате действия электрического поля, происходит поглощение электрической энергии, что приводит к переходу электрона (атома, молекулы) из основного равновесного состояния Е₍₁₎ в возбужденное состояние Е₍₂₎.

При переходе электрона из возбужденного состояния Е₍₂₎ в основное состояние Е₍₁₎ происходит излучение кванта света (фотона).

Параметром светодиода является длина волны излучаемого света л, определяющая цвет свечения. Диапазон видимого света

л = 0,4 … 0,7 мкм,

Е = 1,3 … 1,8 эВ.

Поэтому Е(g) для материалов светодиодов должна быть больше 1,3 эВ. Например для GaAs E(g) = 1,43 эВ, л = hс/Е(g) = 1,23/Е(g) = 0,9 мкм.

Материалы светодиодов:

Твердый раствор GaAs (1-x) P(x) оранжевый,

Карбид кремния Si - Ca желтый,

Фосфид галлия с примесью GaP-ZnO красный,

Фосфид галлия с азатом GaP - N зеленый.

Рис. 24 Структура светодиода на основе арсенида галлия:

1 - контакты,

2 - pGaAs,

3 - nGaAs,

4 - n(+) GaAs.

Варикап

Варикап (англ. varicap, от vari (abel) - переменный и сар (acity) - емкость) - полупроводниковый диод, в которых используется зависимость емкости р-n-перехода от величины напряжения обратного смещения. Буквенное обозначение варикапа на схеме D, VD, Д.

Главный параметр: Вольт-фарадная характеристика (зависимость емкости от напряжения).

 (69)

С_в - общая емкость варикапа, то есть емкость, измеренная между его выводами. Общая емкость складывается из двух составляющих: барьерной емкости р-n-перехода С_бар и емкости корпуса, в который заключен прибор. Барьерная емкость изменяется от единиц до сотен пикофарад (у отдельных варикапов практически в 3-4 раза) при изменении обратного напряжения на несколько десятков вольт и оказывается значительно больше емкости корпуса, поэтому вольт-фарадная характеристика варикапа в основном есть вольт-фарадная характеристика р-n-перехода.

Наиболее важные параметры варикапов для схемотехникиис их использованием:

Коэффициент перекрытия где С_в1 и С_в2 - общие емкости варикапа при заданных значениях обратного напряжения U_обр1 и U_обр2.

Коэффициент нелинейности , он связан с коэффициентом перекрытия, так как при большой нелинейности интервал изменения емкости может быть перекрыт при меньших напряжениях.

Добротность Q_в - величина, оценивающая качество варикапа - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости. Добротность зависит от частоты, при этом на низких частотах он ей прямо пропорционален, а на высоких - обратно пропорциональна.

ТКЕ (температурный коэффициент емкости)

ТКД (температурный коэффициент добротности)

3.2 Применение транзисторов

Транзисторы

Транзистор (полупроводниковый триод) полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенными для усиления и генерирования электрических сигналов. Транзисторы составляют два основных крупных класса: биполярные и полевые.

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора, образующих два р-n-перехода.

Транзистор называется биполярным, так как в процессах происходящих в нем используются оба типа носителей заряда.

Рис. 25 Схематическое изображение транзистора типа p-n-p

Транзистор называется биполярным, так как в процессах происходящих в нем используются оба типа носителей заряда.



Рис. 26 Зонная диаграмма биполярного транзистора в равновесном состоянии

В равновесном состоянии (рис. 26), когда к транзистору не подключены источники питания, суммарные токи через оба перехода равны нулю, а уровни Ферми во всех трех областях находятся на одном энергетическом уровне.

Каждый из переходов транзистора можно включать либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1. Режим отсечки - оба р-n-перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет небольшой ток.

2. Режим насыщения - оба р-n-перехода открыты.

3. Активный режим один из р-n-переходов открыт, а другой закрыт.

В первых двух режимах управление транзистором невозможно.

В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Для биполярного транзистора р-n-p-типа в схеме с общей базой активный режим является основным. В этом случае к эмиттерному р-n-переходу приложено прямое напряжение, как показано на рис. 25, обуславливающее снижение потенциального барьера и сужение р-n-перехода (L₍₁₎ на рис. 27); на коллекторный же р-n-переход подается обратное смещение (на базу «+», на коллектор «-»), вызывающее увеличение потенциального барьера и расширению р-n-перехода (L₍₂₎ на рис. 27).

Как транзистор усиливает?

Интенсивная диффузия дырок через базу от эмиттера к коллектору приводит к возникновению дополнительного коллекторного тока (I_(k)), практический равного эмиттерному току (I_(э)). Равенство I_(k) = I_(э) лежит в основе усиливающего действия транзистора.

Эмиттерный переход, на который подано прямое напряжение смещения, имеет малое сопротивление, и падение напряжения на нем U(э) мало. На коллекторный переход подается обратное напряжение смещения, и сопротивление этого перехода значительно больше. Поэтому в коллекторную цепь может быть включена высокоомная нагрузка, сопротивление которой R_(н) значительно больше сопротивления эмиттерного перехода (рис. 3) Поскольку I_(k) = I_(э), то падение напряжения на высокоомной коллекторной нагрузке

U_(н) = I_(k) R_(н) = I_(э) R_(н) окажется намного больше падения напряжения U_(э) на эмиттерном переходе (U_(н) >> U_(э)). В этом по существу и состоит эффект усиления по напряжению, обеспечиваемого транзистором.



Рис. 27 Зонная диаграмма биполярного транзистора в активном режиме

Полевой транзистор

Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного ему электрического поля, создаваемого входным сигналом. Рабочий ток в полевых транзисторах создается носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называют униполярными (в отличии от биполярного).

По физической структуре и механизму работы полевой транзистор условно делят на 2 группы:

· Полевой Транзистор с управляющим р-n-переходом или переходом металл-полупроводник (барьер Шотки),

· Полевой Транзистор с управлением посредством изолированного электрода (затвора), так называемые МДП-транзисторы.



Рис. 28 Структура полевого транзистора с одним управляющим р-n-переходом

Полевой Транзистор с управляющим р-n-переходом - полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей заряда управляется поперечным электрическим полем обратно смещенного р-n-перехода.

Электрод, от которого начинает движение основные носители заряда в канале, называют истоком, электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком, а третьи управляющий электрод - затвором.

В Полевом Транзисторе в процессе переноса тока участвуют только один вид носителей - основные носители области канала (в нашем случае n-канала - электроны). Здесь переход затвор - канал смещен в запорном направлении, а ток переносится от И к С потоком электронов через узкий канал между областью пространственного заряда (обедненный слой) р-n-перехода и краем кристалла.

При включении между И и С транзистора источника напряжения U_(си) по каналу от истока к стоку потечет ток основных носителей (электронов), величина которых определяется приложенным напряжением и сопротивлением канала. Если на затвор подать напряжение U_(зи) так, чтобы р-n-переход оказался смещенным в обратном направлении, то переход, расширяясь, уменьшает ширину канала. Уменьшение поперечного сечения канала приводит к увеличению его сопротивления и поэтому к уменьшению протекающего по каналу тока [47].

При возрастании обратного смещения на затворе обедненный слой р-n-перехода все больше расширяется, ток стока I_(c) уменьшается, и при достаточно высоком напряжении U_(зи) происходит смыкание области объемного заряда с краем кристалла. Напряжение, при котором канал полностью перекрывается и ток через него практический прекращается, называют напряжением отсечки U_{(зи. отс.)}

При уменьшении отрицательного напряжения на затворе U_(зи) канал будет расширяться, и ток стока I_(c) будет возрастать. Благодаря тому, что р-n-переход находится в закрытом состоянии, ток в управляющей цепи практический равен нулю (I_(з)=0), а значит, равна нулю и затраченная электрическая мощность. Перед нами снова открывается возможность с помощью меньшей мощности управлять существенно большей мощностью. Если теперь на затвор вместе с отрицательным напряжением смещения подать какой-нибудь полезный сигнал, то ток с цепи стока будет повторять его форму (со сдвигом на 180 градусов). Это используется для усиления сигналов, в ключевых и генераторных схемах.

Таким образом, управление током в Полевой транзистор осуществляется путем изменения напряжения U_(зи) за счет изменения ширины канала и, как следствие его сопротивления.

В работе Полевого Транзистора существенную роль играет электрическое поле затворного перехода (поперечное по отношению к каналу), именно оно управляет сопротивлением проводящей части канала. Этим объясняется его название: полевой транзистор.

Возможность усиления по напряжению в Полевом Транзисторе обусловлена эффективным управлением током в высокоомной части канала (R >100кОм) посредством относительно малых изменений запорного напряжения.

3.3 Применение других полупроводниковых приборов

Тиристоры и Триак (симистор).

Тиристорами - называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен), имеющие три или более p-n - переходов. Тиристор по своему принципу - прибор ключевого действия. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном состоянии - разомкнутому ключу. Те тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называют неуправляемыми, или диодными, тиристорами (динисторами). Иначе тиристоры называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами.

Они являются основными элементами в силовых устройствах электроники, которые называют также устройствами преобразовательной техники. Типичными представителями таких устройств являются управляемые выпрямители (преобразуют переменное напряжение в однонаправленное) и инверторы (преобразуют постоянное напряжение в переменное). Динисторы, как правило, используются в слабосточных импульсных устройствах.

Существует большое количество различных тиристоров. Для определенности вначале обратимся к так называемому по катоду незапираемому тиристору с тремя выводами (два силовых и один управляющий), который проводит ток только в одном направлении. Предположим, что напряжение питания меньше так называемого напряжения переключения U_пер(u_пит < U_пер) и что после подключения источника питания импульс управления на тиристор не подавался. Тогда тиристор будет находиться в выключенном состоянии. При p-n - переходе П₁ и П₃ будут смещены в прямом направлении, а переход П₂ - в обратном направлении, поэтому ток тиристора будет малым (i_a=0) и будут выполняться соотношения u_ак? u_пит, u_R ?0 (нагрузка отключена от источника питания).

Если предположить, что выполняется соотношение u_пит>U_пер или что после подключения источника питания был подан импульс управления достаточной величины, то тиристор будет находиться в открытом состоянии. При этом все три перехода будут смещены в прямом направлении. Существуют тиристоры, для которых напряжение U_пер больше чем 1 кВ, а максимально допустимый ток i_a больше, чем 1кА.

При изучении принципа работы тиристора очень важно понять, что происходит в момент его включения и почему переход П₂ во включенном состоянии смещен в прямом направлении.

Рассмотрим 10 основных правил применения тиристоров и триаков (симисторов) при проектировании устройств управления мощностью.

Тиристор

Тиристор - управляемый диод, в котором управление током от анода к катоду происходит за счет малого тока управляющего электрода (затвора).

Вольтамперная характеристика тиристора показана на Рис. 30.

Открытое состояние тиристора

Тиристор переходит в открытое состояние при подаче положительного смещения на затвор относительно катода. При достижении порогового значения напряжения затвора V_GT (ток через затвор имеет значение I_GT), тиристор переходит в открытое состояние. Для стабильного перехода в открытое состояние при коротком управляющем импульсе (менее 1 мкс), пиковое значение порогового напряжения необходимо увеличить.

После достижения тока нагрузки значения I_L, тиристор будет оставаться в открытом состоянии, при отсутствии тока затвора.

Необходимо отметить, что значения параметров V_GT, I_GT и I_L указаны в спецификации для температуры перехода 25°C. Эти значения возрастают при понижении температуры. Поэтому внешние цепи тиристора должны рассчитываться для поддержания необходимых амплитуд V_GT, I_GT и I_L при минимальной ожидаемой рабочей температуре.

Правило 1. Для того чтобы тиристор (триак) перевести в открытое состояние: ток затвора Е I_GT необходимо подавать до достижения тока нагрузки Е I_L. Эти условия должны выполняться при минимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Чувствительный затвор тиристоров, таких как BT150, при увеличении температуры перехода выше T_jmax может вызывать ложное срабатывание за счёт тока утечки от анода к катоду.

Во избежание ложных срабатываний можно посоветовать следующие рекомендации:

1. Рабочая температура перехода должна быть меньше значения T_jmax.

2. Использовать тиристоры с меньшей чувствительностью, такие как BT151, или уменьшить чувствительность имеющегося тиристора включением резистора номиналом 1КОм или менее между затвором и катодом.

3. При невозможности использования менее чувствительного тиристора, необходимо приложить небольшое обратное смещение к затвору в фазе закрытого состояния тиристора для увеличения I_L. В фазе отрицательного тока затвора необходимо уделить внимание уменьшению мощности рассеивания затвора.

Коммутация тиристора.

Для перехода тиристора в закрытое состояние ток нагрузки должен снизится ниже значения тока удержания I_H на время, позволяющее всем свободным носителям заряда освободить переход. В цепях постоянного тока это достигается тем, что цепь нагрузки уменьшает ток до нуля, чтобы дать возможность тиристору выключиться. В цепях переменного тока цепь нагрузки уменьшает ток в конце каждой полуволны. В этой точке тиристор переходит в закрытое состояние.

Тиристор может перейти в состояние проводимости, если ток нагрузки не будет удерживаться ниже I_H достаточное время.

Обратим внимание, что значение I_H указывается для температуры перехода 25°C и, подобно I_L, оно уменьшается при повышении температуры. Поэтому, для успешной коммутации, цепь должна позволять уменьшаться току нагрузки ниже I_H достаточное время при максимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Правило 2. Для переключения тиристора (или триака), ток нагрузки должен быть < I_H в течение достаточного времени позволяющего вернуться к состоянию отсутствия проводимости. Это условие должно быть выполнено при самой высокой ожидаемой рабочей температуре перехода.

Триак (симистор)

Триак представляет собой «двунаправленный тиристор». Особенностью триака является способностью проводить ток как от анода к катоду, так и в обратном направлении.

Состояние проводимости. В отличие от тиристоров, триак может управляться как положительным, так и отрицательным током между затвором и T1. (Правила для V_GT, I_GT и I_L те же, что для тиристоров См. Правило 1.) Это свойство позволяет триаку работать во всех четырёх секторах, как показано в рис. 32.

Когда затвор управляется постоянным током или однополярными импульсами с нулевым значением тока нагрузки, в квадрантах (3+, 3-) предпочтителен отрицательный ток затвора по нижеследующим причинам.

(Внутреннему строению переходов триака характерно то, что затвор наиболее отдален от области основной проводимости в квадранте 3+)

1. При более высоком значении I_GT требуется более высокий пиковый I_G.

2. При более длинной задержке между I_G и током нагрузки требуется большая продолжительность I_G.

3. Низкое значение dI_T/dt может вызывать перегорание затвора при управлении нагрузками, создающими высокий dI/dt (включение холодной лампы накаливания, ёмкостные нагрузки),

4. Чем выше I_L (это относится и к квадранту 1-), тем большая продолжительность I_G будет необходима для малых нагрузок, что позволит току нагрузки с начала полупериода достичь значения выше I_L.

В стандартных цепях управления фазой переменного тока, таких как регуляторы яркости и регуляторы скорости вращения, полярность затвора и T2 всегда одинаковы. Это означает, что управление производится всегда в 1+ и 3 - квадрантах, в которых коммутирующие параметры триака одинаковы, а затвор наиболее чувствителен.

Примечание: 1+, 1-, 3- и 3+ это система обозначений четырех квадрантов, использующаяся для краткости: вместо того, чтобы записать «MT2+, G+» пишется 1+, и т.д. Эти данные получены из графика вольтамперной характеристики триака. Положительному напряжению T2 соответствует положительное значение тока через T2, и наоборот (см. Рис. 33.)



Следовательно, управление осуществляется только в квадрантах 1 и 3. А указатели (+) и (-) относятся к направлению тока затвора.

Правило 3.

При проектировании необходимо избегать включения триака в 3+ квадранте (MT2-, G +).

Ложные срабатывания триака.

В ряде случаев возможны нежелательные случаи включения триаков. Некоторые из них не приведут к серьёзным последствиям, в то время как другие потенциально разрушительны.

(а) Уменьшение шумовых сигналов затвора.

В электрически шумных окружающих средах ложное срабатывание может происходить, если шумовое напряжение на затворе превышает V_GT, поэтому тока затвора достаточно для включения триака. Первый способ защиты - минимизировать возникающий шум. Лучше всего это может быть достигнуто уменьшением длины проводников ведущих к затвору и соединением цепи управления затвором непосредственно с выводом T1 (или катодом для тиристора). В случае если это невозможно следует использовать витую пару или экранированный кабель.

Дополнительную шумовую устойчивость можно обеспечить, уменьшив чувствительность затвора с помощью включения резистора до 1Ком между затвором и T1. Если в качестве высокочастотного шунта используется конденсатор, желательно включить последовательно резистор между ним и затвором, чтобы уменьшить пик тока конденсатора через затвор и минимизировать возможность повреждения затвора от перегрузки.

В качестве решения этих проблем можно использовать триаки ряда «H» (например BT139-600H). Этот нечувствительный ряд (I_GT min =10mA) специально разработан для обеспечения высокой шумовой устойчивости.

Правило 4.

Для минимизации шумового срабатывания следует свести к минимуму длину проводников к затвору. Подключить общий провод непосредственно к T1 (или катоду). Желательно использовать витую пару или экранированный кабель. Можно поставить резистор до 1Ком между затвором и T1, или шунтировать затвор конденсатором и соединённым с ним последовательно резистором.

Один из вариантов - использование нечувствительных триаков ряда «H».

(b) Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения коммутации dV_COM/dt.

Этот эффект может возникнуть при питании реактивных нагрузок, где есть существенный сдвиг фазы между напряжением и током нагрузки. При выключении триака в то время, когда фаза тока нагрузки проходит через ноль, напряжение не будет нулевым из-за сдвига по фазе (см. рис. 34).



Если при этом скорость изменения напряжения превысит допустимое значение dV_COM/dt, триак может остаться в состоянии проводимости. Это происходит из-за того, что носителям заряда не хватает времени, чтобы освободить переход.

На параметр dV_COM/dt влияют два условия:

1. Скорость спадания тока нагрузки при переключении, dI_COM/dt. Высокое значение dI_COM/dt снижает значение dV_COM/dt.

2. Температура перехода T_j. Чем выше T_j, тем ниже значение dV_COM/dt.

Если возможно превышение значения dV_COM/dt триака, то ложного срабатывания можно избежать использованием RC демпфера между T1-T2. Это ограничит скорость изменения напряжения. Обычно выбирается углеродный резистор 100 Ом, и конденсатор 100nF.

Обратите внимание, что резистор не может быть удалён из демпфера, так как он используется в качестве ограничителя тока, во избежание возникновения высокого значения dI_T/dt в моменты коммутации.

(c) Превышение максимального значения скорости нарастания тока коммутации dI_COM/dt.

Высокое значение dI_COM/dt может быть вызвано повышенным током нагрузки, повышенной рабочей частотой (синусоидального тока) или несинусоидальным током нагрузки.

Известный пример такого - выпрямитель питания для индуктивных нагрузок, где применение стандартных триаков невозможно из-за того, что напряжение питания оказывается ниже напряжения обратной электромагнитной индукции нагрузки и ток триака резко стремиться к нулю. Этот эффект проиллюстрирован на (рис. 35).

При нулевом токе триака, ток нагрузки будет спадать через мостовой выпрямитель. При индуктивных нагрузках возможно такое высокое значение dI_COM/dt, при котором триак не может поддерживать даже небольшого значения dV/dt 50Hz синусоиды при прохождении нуля. В этом случае не будет эффекта от добавления демпфера. Решение проблемы в том, что значение dI_COM/dt может быть ограничено добавлением дросселя, последовательно с нагрузкой.

Альтернативное решение - использование Hi-Com триаков.

(d) Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии dV_D/dt

Высокая скорость изменения напряжения на силовых электродах непроводящего триака (или тиристора с чувствительным затвором) без превышения его V_DRM (см. рис. 36), вызывает внутренние ёмкостные токи. При этом внутреннего тока затвора может быть достаточно, чтобы перевести триак (тиристор) в состояние проводимости. Чувствительность к этому параметру увеличивается с ростом температуры.

Там где возникает эта проблема, значение dV_D/dt должно быть ограничено RC демпфером между T₁ и T₂ для триака (или Анодом и Катодом для тиристора).

Использование Hi-Com триаков в таких случаях может снять эти проблемы.

Правило 5. Если есть вероятность превышения значения dV_D/dt или dV_COM/dt, необходимо включить RC демпфер между T₁ и T₂. Если есть вероятность превышения значения dI_COM/dt, необходимо включить последовательно с нагрузкой катушку индуктивности в несколько mH.

Альтернатива - использование HI-Com триаков

(e) Превышение повторяющегося пикового напряжения в закрытом состоянии V_DRM

Если напряжение на T₂ превышает V_DRM (это может происходить во время переходных процессов), то ток утечки T₂-T₁ достигнет значения, при котором триак может спонтанно перейти в состояние проводимости (см. рис. 37)

При нагрузке, допускающей выбросы тока, ток чрезвычайно высокой плотности может проходить через узкую открытую область перехода. Это может привести к выгоранию перехода и разрушению кристалла. Это может происходить в схемах управления лампами накаливания, емкостных нагрузках и схемах защиты мощных электронных ключей.

Превышение V_DRM или dV_D/dt не всегда приводит к потере работоспособности триака, а вот создаваемая dI_T/dt скорость нарастания тока It может привести к выходу из строя прибора. Из-за того, что требуется некоторое время для распространения проводимости по всему переходу, допустимое значение dI_T/dt ниже чем, если бы триак был включен сигналом затвора. Если значение dI_T/dt не будет превышать минимального значения, которое даётся в

его характеристиках, то, скорее всего, триак не выйдет из строя. Эта проблема может быть решена, подключением не насыщающейся индуктивности (без сердечника), последовательно с нагрузкой. Если это решение неприемлемо, то альтернативное решение может быть в том, чтобы обеспечить дополнительную фильтрацию и ограничение выбросов. Это повлечёт использование, параллельно питанию, Метал-Оксидного Варистора (МОВ) для ограничения напряжения и последовательное подключение LС цепочки перед варистором.

Некоторые изготовители выражают сомнения в надежности схем с использованием MOB, так как они при высоких температурах окружающей среды входят в тепловой пробой и выходят из строя. Это является следствием того, что рабочее напряжение МОВ обладает обратным температурным коэффициентом. Однако, при применении МОВ на 275В (среднеквадратичное значение) для 230В цепей, риск перегорания МОВ минимален. Такие проблемы вероятны, если варистор на 250В используется при высокой температуре окружающей среды в цепях со среднеквадратичным значением 230В.

Правило 6. Если есть вероятность превышения V_DRM триака во время переходных процессов, необходимо принять следующие меры:

Ограничить высокое значение dI_T/dt ненасыщаемой катушкой индуктивности на единицы mH последовательно с нагрузкой; Использовать MOB параллельно питанию в комбинации с фильтром к источнику питания.

Состояние проводимости, dI_T/dt

Когда триак(тиристор) находятся в состоянии проводимости под действием сигнала затвора, проводимость начинается в участке кристалла смежным к затвору, и затем быстро распространяясь на активную область. Эта задержка накладывает ограничение на значение допустимой скорости нарастания тока нагрузки. Высокое значение dI_T/dt может быть причиной выгорания прибора, в результате чего произойдёт короткое замыкание между T₁ и T₂.

При работе в 3+ квадранте, ещё больше снижается разрешенное значение dI_T/dt из-за структуры перехода. Это может привести к мгновенному лавинному процессу в затворе и перегоранию во время быстрого нарастания тока. Разрушение триака может произойти не сразу, а при постепенном выгорании перехода Затвор-T₁, что приведёт к короткому замыканию после нескольких включений. Чувствительные триаки наиболее подвержены этому. Эти проблемы не относятся к Hi-Com триакам, так как они не работают в 3+ квадранте.

Значение dI_T/dt связано со скоростью нарастания тока затвора(dI_G/dt) и максимальным значением I_G. Высокие значения dI_G/dt и пикового I_G (без превышения номинальные мощности затвора) дают более высокое значение dI_T/dt.

Правило 7. Продуманная схема управления затвором и отказ от работы в квадранте 3+ увеличивает значение dI_T/dt.

Самый простой пример нагрузки создающей высокий начальный бросок тока - лампа накаливания, которая имеет низкое сопротивление в холодном состоянии. Для резистивных нагрузок этого типа значение dI_T/dt достигнет максимального значение при начале перехода в состояние проводимости в пике напряжения сети. Если есть вероятность превышения номинального значение dI_T/dt триака, необходимо ограничить это включением катушки индуктивности mH или терморезистором с обратным температурным коэффициентом последовательно с нагрузкой.

Дроссель не должен насыщаться в течение максимума пика тока. Для ограничения значения dI_T/dt необходимо использовать катушку индуктивности без сердечника.

Есть более правильное решение, с помощью которого можно избежать необходимости включения последовательно с нагрузкой токоограничивающих приборов. Оно состоит в том, чтобы использовать режим включения при нулевой разности потенциалов. Это дало бы плавный рост тока с начала полуволны.

Примечание: Важно помнить, что режим включения при нулевой разности потенциалов применим только к резистивным нагрузкам. Использование того же метода для реактивных нагрузок, где есть сдвиг фазы между напряжением и током, может вызвать однополярную проводимость, ведущую к возможному режиму насыщения индуктивных нагрузок, разрушительно высокому току и перегреву. В этом случае требуется более совершенный способ переключения при нулевом токе и / или схема управления фазой включения.

Правило 8. Если есть вероятность превышения значения dI_T/dt необходимо установить последовательно с нагрузкой индуктивность в несколько mH или терморезистор с обратным температурным коэффициентом.

Для резистивных нагрузок можно использовать режим включения при нулевой разности потенциалов.

Отключение Триаки использующиеся в цепях переменного тока коммутируются в конце каждого полупериода тока нагрузки, если не приложен сигнал затвора, чтобы поддержать проводимость с начала следующего полупериода. Правила для I_H те же что для тиристора. См. Правило 2.

Некоторые особенности Hi-Com триаков

Hi-Com триаки имеют отличную от обычных триаков внутреннюю. Одно из отличий состоит в том, что две половины тиристора лучше изолированы друг от друга, что уменьшает их взаимное влияние. Это дает следующие преимущества:

1. Увеличение допустимого значения dV_COM/dt. Это позволяет управлять реактивными нагрузками (в большинстве случаев) без необходимости в демпфирующем устройстве, без сбоев в коммутации. Это сокращает количество элементов, размер печатной платы, стоимость, и устраняет потери на рассеивание энергии демпфирующим устройством.

2. Увеличение допустимого значения dI_COM/dt. Это значительно улучшает работу на более высоких частотах и для несинусоидальных напряжений без необходимости в ограничении dI_COM/dt при помощи индуктивности последовательно с нагрузкой.

3. Увеличение допустимого значения dV_D/dt. Триаки очень чувствительны при высоких рабочих температурах. Высокое значение dV_D/dt уменьшает тенденцию к самопроизвольному включению из состояния отсутствия проводимости за счёт dV/dt при высоких температурах. Это позволяет применять их при высоких температурах для управления резистивными нагрузками в кухонных или нагревательных приборах, где обычные триаки не могут использоваться.

Из-за различной внутренней структуры работа Hi-Com триаков в квадранте 3+ невозможна. В большинстве случаев это не является проблемой, так как это наименее желательный и наименее используемый квадрант. Поэтому замена обычного триака на Hi-Com почти всегда возможна.

Способы монтажа триаков. При малых нагрузках или коротких импульсных токах нагрузки (меньше чем 1 секунда), можно использовать триак без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях его применение необходимо.

Существует три основных метода фиксации триака к теплоотводу - крепление зажимом, крепление винтом и клёпка. Наиболее распространены первые два способа. Клёпка - в большинстве случаев не рекомендуется, так как может вызвать повреждение или деформацию кристалла, что приведёт к выходу прибора из строя.

Фиксация к теплоотводу зажимом

Это - предпочтительный метод с минимальным тепловым сопротивлением, так как зажим достаточно плотно прижимает корпус прибора к радиатору. Это одинаково подходит как для неизолированных (SOT82 и SOT78), так и для изолированных корпусов (SOT186 F-корпус и более ранних SOT186A X-корпус).

Фиксация к теплоотводу при помощи винта

1. Набор для монтажа корпуса SOT78 включает прямоугольную шайбу, которая должна быть установлена между головкой винта и контактом, без усилий на пластиковый корпус прибора.

2. Во время установки наконечник отвертки не должен воздействовать на пластиковый корпус триака (тиристора).

3. Поверхность теплоотвода в месте контакта с электродом должна быть обработана с чистотой до 0.02mm.

4. Крутящий момент (с установкой шайбы) должен быть между 0.55Nm - 0.8Nm.

5. По возможности следует избегать использования винтов-саморезов, так как это снижает термоконтакт между теплоотводом и прибором.

6. Прибор должен быть механически зафиксирован перед пайкой выводов. Это минимизирует чрезмерную нагрузку на выводы.

Правило 9. При монтаже триака (тиристора) необходимо избегать приложения чрезмерных механических усилий. Перед пайкой необходимо закрепить прибор одним из трёх выше перечисленных способов. Особое внимание необходимо уделить плотности прилегания корпуса прибора к радиатору.

Тепловое сопротивление

Тепловое сопротивление R_th - это сопротивление между корпусом прибора и радиатором. Этот параметр аналогичен электрическому сопротивлению R = V/I, поэтому тепловое сопротивление R_th = T(K)/P(W), где T - температура в Кельвинах, и P-рассеяние энергии в ваттах.

Для прибора, установленного вертикально без радиатора, тепловое сопротивление задаётся тепловым сопротивлением переход-окружающая среда R_th =R_{th j-a}.

- Для корпуса SOT82 значение равно 100 K/W;

- Для корпуса SOT78 значение равно 60K/W; - Для корпусов F и X значение равно 55K/W.

Для не изолированных приборов, установленных на теплоотвод, тепловое сопротивление является суммой сопротивлений переход-корпус, корпус-теплоотвод и теплоотвод-окружающая среда.

R_{th j-a} = R_{th j-mb} + R_{th mb-h} + R_{th h-a} (не изолированный корпус). (70)

Для изолированных корпусов нет ссылки на термосопротивление R_{th j-mb}, так как R_{th mb-h} принят постоянным и дан с учётом использования термопасты. Поэтому, тепловое сопротивление для изолированного корпуса является суммой тепловых сопротивлений переход-теплоотвод и теплоотвод-окружающая среда.

R_{th j-a} = R_{th j-h} + R_{th h-a} (изолированный корпус). (71)

R_{th j-mb} или R_{th j-h} фиксированы и даны в документации к каждому прибору.

R_{th mb-h} также даются в инструкциях по установке для некоторых вариантов изолированного и неизолированного монтажа, с использованием или без использования термопасты.

R_{th h-a} регулируется размером теплоотвода и степенью воздушного потока через него.

Для улучшения теплоотдачи всегда рекомендуется использование термопасты.

Расчет теплового сопротивления

Для вычисления теплового сопротивления теплоотвода для данного триака (тиристора) и данного тока нагрузки, мы должны сначала вычислить рассеяние энергии в триаке (тиристоре), используя следующее уравнение:

P = V_o * I_{T (AV)} + R_s * I_T(RMS)² (72)

V_o и R_s получены из «on-state» характеристики триака (тиристора). Если значения не указанны, то они могут быть получены из графика путём вычерчивания касательной к V_T max. Точка на оси V_T, где её пересекает касательная, даёт V_o, в то время как тангенс угла наклона касательной дает Rs. Используя уравнение теплового сопротивления, данное выше, получаем:

R_{th j-a} = T/P. (73)

Максимально допустимая температура перехода будет, когда T_j достигает T_j max при самой высокой температуре окружающей среды. Это дает нам T.

Полное тепловое сопротивление

Все расчёты по вычислению теплового сопротивления имеет смысл проводить для уже установившегося режима продолжительностью больше чем 1 секунда. Для импульсных токов или длительных переходных процессов меньше чем 1 секунда эффект отвода тепла уменьшается. Температура просто рассеивается в объеме прибора с очень небольшим достижением теплоотвода. В таких условиях, нагрев перехода зависит от полного теплового сопротивления переход-корпус прибора Z_{th j-mb}.

Поэтому Z_{th j-mb} уменьшается при уменьшении продолжительности импульса тока благодаря меньшему нагреву кристалла. При увеличении продолжительности до 1 секунды, Z_{th j-mb} увеличивается до значения соответствующего установившемуся режиму R_{th j-mb}.

Характеристика Z_{th j-mb} приводится в документации для двунаправленного и однонаправленного электрического тока импульсами продолжительностью до 10 секунд.

Правило 10. Для надёжной работы прибора, необходимое значение R_{th j-a} должно быть достаточно низко, чтобы держать температуру перехода в пределах T_j max при самой высокой ожидаемой температуре окружающей среды.

Номенклатура и корпуса

Промышленный ряд тиристоров Philips начинается с 0.8A в SOT54 (TO92) и заканчивается 25A в SOT78 (TO220AB).

Промышленный ряд триаков (симисторов) Philips начинается с 0.8A в SOT223 и заканчивается 25A в SOT78.

Самый маленький корпус триака (тиристора) для поверхностного монтажа SOT223 (рис. 38). Мощность рассеивания зависит от степени рассеивания тепла печатной платой, на которую устанавливается прибор.



На (рис. 39) показан наименьший корпус для обычного монтажа SOT54. В этот корпус ставиться кристалл, которым оснащаются SOT223.

Тот же кристалл устанавливается в неизолированный корпус SOT82 (рис. 40). Улучшенная теплоотдача этого корпуса, позволяет использовать его при более высоких номинальных токах и большей мощности.

SOT78 самый широко распространенный неизолированный корпус, большинство устройств для бытовой техники производится с использованием этого корпуса (рис. 41).

На (рис. 42) показан SOT186 (F-корпус). Этот корпус допускает в обычных условиях разность потенциалов 1,500V между прибором и теплоотводом.

Один из последних - корпус SOT186A (X-корпус), показанный на рис. 43. Он обладает несколькими преимуществами перед предыдущими типам:

1. Корпус имеет те же размеры, как корпус SOT78 в зазорах выводов и монтажной поверхности, поэтому он может непосредственно заменять SOT78, без изменений в монтаже.

2. Корпус допускает в обычных условиях разность потенциалов 2,500V между прибором и теплоотводом.

10 ПРАВИЛ

Правило 1. Для того чтобы тиристор (триак) перевести в открытое состояние: ток затвора Е I_GT необходимо подавать до достижения тока нагрузки Е I_L. Эти условия должны выполняться при минимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Правило 2. Для переключения тиристора (или триака), ток нагрузки должен быть < I_H в течение достаточного времени позволяющего вернуться к состоянию отсутствия проводимости. Это условие должно быть выполнено при самой высокой ожидаемой рабочей температуре перехода.

Правило 3. При проектировании необходимо избегать включения триака в 3+ квадранте (MT2-, G +).

Правило 4. Для минимизации шумового срабатывания следует свести к минимуму длину проводников к затвору. Подключить общий провод непосредственно к T1 (или катоду). Желательно использовать витую пару или экранированный кабель. Можно поставить резистор до 1Ком между затвором и T1, или шунтировать затвор конденсатором и соединённым с ним последовательно резистором. Один из вариантов - использование нечувствительных триаков ряда «H».