§ 20. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И
ТИРИСТОРЫ
Полупроводниковые диоды
— это пассивные (не усиливающие сигналов) электронные приборы с одним
р-n-переходом
и двумя выводами (от анода А
и катода К).
Их применяют в электронных схемах, предназначенных чаще всего для преобразования
параметров электрических сигналов.
Принцип действия. Работу диодов можно понять, рассматривая вольт-амперную
характеристику (зависимость тока I
от приложенного напряжения), которая имеет нелинейный характер
(рис. 94).
► Считают, что диод подключен в прямом направлении
когда к аноду подключен положительный, а к катоду отрицательный полюс источника
тока.
![](img/4729d262.jpg) |
Рис. 94. Вольт-амперная характеристика
полупроводникового диода
|
Этому соответствует ветвь характеристики в I квадранте. Через диод проходит
большой ток Iпр
(мА) в прямом направлении. При подключении в обратном направлении (плюс к
катоду, минус — к аноду) ток Iобр, проходящий через
диод, очень небольшой (мкА). Этому соответствует ветвь Uобр
(Iобр) в III квадранте. Такой ток называют «обратным».
► Таким образом, диод обладает односторонней
проводимостью — пропускает ток только в прямом направлении. Идеальный диод имеет
нулевой обратный ток Iобр=0.
Значения (номинальные) основных параметров диодов обычно приводят в
справочниках. К ним относятся: максимальный прямой ток Iпр
mах
— самый большой ток, который может длительное время проходить через диод, не
повреждая его. Для различных диодов этот ток составляет от 20 мА до десятков
ампер;
максимальное обратное напряжение Uобр
mах
— наибольшее значение напряжения, которое диод может выдержать длительное время
без пробоя. Оно составляет от 10 до 1500 В;
обратный ток Iобр
— это ток диода при напряжении Uобр
mах
и температуре 25 °С.
![](img/77914ab0.jpg) |
Рис. 95. Условные обозначения полупроводниковых
диодов и тиристоров:
а — диод; б — диод — стабилизатор
постоянного напряжения; в — фотодиод; г —
светодиод; д — тиристор
|
Перепад напряжения в прямом направлении определяется произведением силы
проходящего тока на сопротивление диода в прямом направлении в соответствии с
законом Ома
Существует большое разнообразие технологий изготовления, конструкций и
параметров диодов. В зависимости от используемого материала они бывают
германиевые, кремниевые, селеновые и др. По значению Iпр
различают маломощные диоды (Iпр<300 мА),
средней мощности и мощные (Iпр>10 А).
Диоды (рис. 95, а) используют в схемах
выпрямителей тока (преобразуют переменный ток в постоянный),
детекторов (демодуляторов — на вход подают модулированное напряжение, а
на выходе получают информационный сигнал), ограничителей (на выходе диода
сигнал принимает определенные значения), импульсных устройств
(формируется импульсный сигнал) и др. Их применяют в качестве стабилизаторов
постоянного напряжения (рис. 95, б). В оптоэлектронике используют
свойство некоторых диодов изменять значение обратного тока пропорционально
освещенности. Это фотодиоды
(рис. 95, в). Диоды могут излучать свет в зависимости от силы проходящего
в прямом направлении тока. Это
светодиоды, (рис. 95, г).
Тиристоры
(рис. 95, д
и 96) — полупроводниковые приборы с тремя электрическими
р-n-переходами,
которые имеют два устойчивых состояния.
Их называют также управляемыми диодами из-за наличия управляющего электрода.
Область р1, в которую попадает ток из внешней цепи,
называют анодом, область n2
— катодом, области n1
и p2 —
базами. Переход 2 называют коллекторным.
![](img/a3123eb.jpg) |
Рис. 96. Схема питания тиристора (а) и
его вольт-амперная характеристика (б)
|
При обратном включении (плюс к катоду, минус — к аноду) тиристор заперт и
его характеристика похожа на характеристику запертого диода (рис. 96, б).
При подаче положительного напряжения ЕA
на анод тиристор открыт — переходы 1, 3 открыты и смещены в прямом
направлении, а коллекторный 2 — закрыт и смещен в обратном направлении.
Когда внешнее напряжение мало
UA<<Uвкл, все оно практически
падает на переходе 2, и тиристор закрыт. Когда UA≥Uвкл
в тиристоре начинается ударная ионизация и он открывается. Сопротивление
перехода 2 резко снижается, а напряжение на нем вследствие этого
скачкообразно падает до Uн. Тиристор открыт, пока UА>Uн
(ветвь АВ).
Напряжение на управляющем электроде не сказывается на работе прибора в открытом
состоянии. Если тиристор закрыт UА<Uн,
то для его открытия необходимо подать напряжение UA≥Uвкл
. Однако тиристор можно открыть и кратковременными импульсами, которые
имеют такую амплитуду, что анодное напряжение становится большим или равным
напряжению включения. После исчезновения импульса
UA
должно быть больше Uн.
► Таким образом, меняя ток в управляющем электроде (IG2>IG1
под влиянием UА),
открывать тиристор можно при меньшем напряжении (характеристика вновь
соответствует ветви АВ). Ток в управляющей цепи оказывает влияние только на
момент открытия тиристора.
Номинальные параметры тиристоров: максимально допустимое напряжение при
обратном включении, максимальный прямой ток, максимально допустимая рассеиваемая
на аноде мощность и др. Однако эти параметры сильно зависят от температуры.
Мощные тиристоры используют с устройствами охлаждения.
Напряжение прямого включения
— это такое напряжение, при котором происходит открытие тиристора при открытой
управляющей цепи, т. е. при IG=
0.
Это напряжение близко к напряжению пробоя, поэтому рабочее напряжение тиристора
должно быть на 20 — 50 % ниже.
Управляющий ток включения тиристора
— это наименьшее значение IG,
при котором тиристор открывается.
Разные тиристоры включаются при различных IG
и ЕG. Время включения и отключения тиристора имеет
важное значение для быстродействующих схем.
Тиристоры находят широкое применение вследствие большой мощности и достаточного
быстродействия. Их используют в автоматических и регулирующих устройствах, в
частности в управляемых выпрямителях.