823
.pdfОбозначение и схемы включения МДП-транзисторов. Полевые транзисторы могут включаться по схеме общий исток, общий сток и об щий затвор. Однако на практике третий вариант включения не нашел при менения. В усилителях напряжения и мощности транзистор включается по схеме общий исток (рис. 3.17, а) и общий сток (рис. 3.17, б).
а |
б |
|
Рис. 3.17 |
Схема усилителя с общим истоком выполнена на МДП-транзисторе со встроенным «-каналом (р-подложкой), а схема усилителя с общим сто ком - на МДП-транзисторе со встроенным p -каналом («-подложкой). По этому напряжение питания Еп имеет разную полярность. Тип канала на рис. 3.18 указан стрелкой. МДП-транзисторы с индуцируемым каналом чаще всего используются в схемах электронных ключей.
а |
б |
Рис. 3.18
На рис. 3.18, а представлен электронный ключ на МДП-транзисторе с индуцированным каналом л-типа (р-подложка), а на рис. 3.18, б - с инду цированным каналом /7-типа (л-подложка). В первом случае напряжение питания Еп и напряжение на затворе UBXимеют потенциал (+) относитель но истока, а во втором случае - потенциал (-). Тип канала (подложки) оп ределяется на схемах направлением стрелки.
4. ТИ РИ СТО РЫ И П ОЛУПРОВОДН ИКОВЫ Е ДАТЧИ КИ
Л е к ц и я 13
4.1. Структура, принцип действия и ВАХ тиристоров
Тиристором называется четырехслойная полупроводниковая структу ра, имеющая два или три вывода (соответственно рис. 4.1, а и б). Два край
|
них слоя называются анодом и катодом, |
|
а вывод среднего слоя - управляющим |
|
электродом (УЭ). Средний слой может |
|
быть / 7-типа и л-типа (см. рис. 4.1). По |
|
лупроводниковый прибор, у которого |
|
выведено только два электрода, называ |
|
ется динистором, прибор с тремя выво |
|
дами - тринистором или управляемым |
|
диодом. |
|
Принцип действия и ВАХ такого |
Рис. 4.1 |
тиристора могут быть пояснены сле |
|
дующим образом. Представим структу |
ру /7-л-/?-л в виде двух структур типа/7-л-р и л-р-л (рис. 4.2, а и б). Для это го разрежем два средних слоя по продольной оси, а для сохранения элек трического эквивалента соединим их токопроводящей перемычкой. В этом случае получается два разнополярных транзистора, которые имеют внут реннюю положительную обратную связь (ток коллектора VT1 является входным током базы VT2 и наоборот). Если теперь на анод подать плюс, а
Рис. 4.2
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
7а = 7э, |
= 7э2 |
= 7П 2 |
С учетом того, что I K{ = a xI 3l, а / к 2 |
= а 2/ Э2, получим |
|
= а 1^а + а 2 ^а + Лс.о> |
||
или |
|
|
|
‘К.О |
(4.1) |
1 - |
(a i + а 2) |
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».
в |
г |
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
|
|
|
Фз |
|
|
полупроводнике я, |
= Nc е |
2срт , можно записать |
|
||
|
|
|
|
Фз |
|
|
|
|
О = ого е |
2<Рт , |
(4.2) |
где |
Ода - удельная |
электропроводность при температуре, равной беско |
|||
нечности, Ода = eNc . |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Ф з* |
|
Подставляя в |
(4.2) |
значение срт, |
получим о = о ^ е |
2кт или |
|
В |
|
|
ср„ |
|
|
- - |
|
|
|
|
о = GQQ е 1 , где В - температурная постоянная, В = —f-. |
|
||||
|
|
|
|
^гС |
|
|
Переходя от удельной электропроводности к сопротивлению и учиты- |
||||
|
1 |
R |
|
|
|
вая, что а = —, а р = —, получаем |
|
|
|||
|
Р |
S |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R ,= R * e T , |
|
(4.3) |
где |
- условное сопротивление при Г = со. |
|
|||
|
Следует помнить, что |
и В можно считать постоянными только в |
|||
небольшом диапазоне изменения температур. |
|
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
|
/о |
*о |
При равенстве модулей ДI |
AR |
напряжение будет оставаться ПО' |
|
Rn |
|
стоянным (ВАХ 2), при д/ > |
ДR будет расти (ВАХ 3), а при |
|
'о |
*0 |
|
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