Przyrządy półprzewodnikowe część 6

Przyrządy półprzewodnikowe część 6 Dr inż. Bogusław Boratyński Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska 2011

Literatura i źródła rysunków G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals, Addison-Wesley Publ., B.G. Streetman, Solid State Electronic Devices, Prentice-Hall, W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, A. Świt, J. Pułtorak, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, B.G. Streetman, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT

Zagadnienia Rozdział 5. Przyrządy przełączające dużej mocy Przełączanie mocy prądu stałego i zmiennego Przyrządy przełączające dla napięć zmiennych - sterowane prostowniki Tyrystor, Triak, Diak Przyrządy przełączające dla napięć stałych: Tranz. bipolarny MOSFET, IGBT PUT, UJT

Przełącznik prądu stałego (dc) z tranzystorem bipolarnym lub z MOSFETem Wejściowy sygnał sterujący U G = v GS Wejściowy sygnał sterujący U I = U BE or I 1 =I B Efekt: załączenie tranzystora i D = i load Efekt: załączenie tranzystora I C =I load Wymagania: 1. Krótkie czasy przełączania (μs). 2. Mały spadek napięcia w stanie załączenia U CEon, U DSon, co oznacza małą moc traconą w tranzystorze: P = I Don U DSon lub P = I Con U CEon U I I B R load I C U 0 U CC U DD, U CC - zasilacz DC Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

Układy prostujące sygnał ac z diodami - zasilacze dc Diody zapewniają prostowanie amplitudy sygnału, lecz nie regulację mocy w obciążeniu R L prostownik 1-połówkowy prostowniki 2-połówkowe pożądana możliwość wycinania części sygnału, czyli regulacji mocy dostarczanej do obciążenia Source: G.Rizzoni, Fundamentals of Electrical Eng., McGraw-Hill

Układy prostujące sygnał ac z diodami - zasilacze dc Diody zapewniają prostowanie amplitudy sygnału, lecz nie regulację mocy w obciążeniu R L prostownik 1-połówkowy prostowniki 2-połówkowe pożądana możliwość wycinania części sygnału, czyli regulacji mocy dostarczanej do obciążenia 1 przez zmianę wartości kąta fazowego 2 Source: G.Rizzoni, Fundamentals of Electrical Eng., McGraw-Hill

Tyrystor sterowana dioda charakterystyki I-U ang.: Thyristor - SCR Silicon Controlled Rectifier Układ pracy dc: U GK >0, U AK >0 - impuls prądu bramki I G [ma] załącza prąd anodowy I A [A] przewodzenie R L U zas. wzrasta wartość I A A blokowanie G I G K U AK zaporowy U GK R L obciążenie (odbiornik mocy) Charakterystyki statyczne I-U Source: J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill

Tyrystor działanie Tyrystor - dioda prostownicza sterowana za pomocą impulsu prądu bramki struktura p-n-p-n szeregowo połączone 3 złącza p-n conducting switching Główny prąd I AK = I load [1A - 100A] Prąd sterujący - impuls I G [ma] reverse blocking Sposoby załączania: 1. Impuls prądu bramki I G 2. Szybki narost V AK > V BF 3. Oświetlenie - fototyrystory Source: J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill

Tyrystor układ pracy przebiegi napięcia i prądu Dominujące zastosowania: regulacja mocy w systemach oświetlenia, nagrzewania, napędów elektrycznych A SCR K LOAD lighting system Przebiegi napięć i prądu obciążenia (zwykle f=50hz) U input I G impuls pow er line 230V DIODE gate contol circuit DIAC G I AK =I load I load ωt ωt U AK ωt

Tyrystor układ pracy przebiegi napięć i prądu Dominujące zastosowania: regulacja mocy w systemach oświetlenia, nagrzewania, napędów elektrycznych A K LOAD lighting system Przebiegi napięć i prądu obciążenia (zwykle f=50hz) U input I G pulse pow er line 230V gate contol circuit G I AK =I load I load ωt A K LOAD lighting system U AK ωt G pow er line 230V gate contol circuit ωt

Triak zasada pracy, charakterystyki I-U ang.: TRIAC dwukierunkowy tyrystor- symetryczna charakterystyka I-U (równoważny dwóm tyrystorom połączonym równolegle) ( impuls I G załącza triak ) A1 I G pulse przewodzenie G blokowanie blokowanie I G pulse A2 przewodzenie Zastosowania w układach małej i średniej mocy: silniki elektryczne, oświetlenie, grzanie Także fototriaki - z wbudowaną diodą LED umożliwia separację elektryczną obwodu załączania i wykonawczego

Triak przebiegi napięć i prądu TRIAC ac operation U input impuls I G A1 ωt I G pulse G I AK I load ωt A2 U AK ωt

Diak budowa, charakterystyki I-U ang.: DIAC dwa zaciski - symetryczna charakterystyka I-U przełączanie w stan przewodzenia po osiągnięciu napięcia przełączania, najczęściej: switching voltage V th = 40V 60V A2 V th V th Source J. Millman, Microelectronics, McGraw-Hill

Przełącznik prądu stałego (dc) z tranzystorem bipolarnym Układ przełącznika wskażnika LED (LED driver) Układ regulatora prądu silnika elektrycznego (electric motor driver) Przykład: Żądany zakres I motor = 20mA 340mA Przykład: V computer = impulsy TTL (V pp =5V), R B = 1kohm Znajdź R 1 i R 2 dla tranzystorów pracujących w zakresie aktywnym (β=40) dla I LED =30mA V LED =1.4V, V EBsat = 0,7V V CEsat =0,2V Znajdź wymaganą wartość R c. Wykaż, że tranz. pracuje w nasyceniu. Source: Ex. 10.4, 10-6 pp.465-470, G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

Przełącznik prądu stałego z MOSFETem Regulacja mocy dostarczanej do obciążenia za pomocą zmiany długości impulsu (współczynnika wypełnienia) przy stałej amplitudzie napięcia wejściowego U GS =5V Charakterystyka przejściowa I D - U GS PWM - pulse-width modulation Układ przełącznika WS- wspólne źródło Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

Przełącznik prądu stałego z MOSFETem Obciążenie wpięte do źródła to układ ze wspólnym drenem (WD) Efekt : liniowa zależność prądu drenu I D od U GS Source: G. Rizzoni, Fundamentals of Electrical Engineering, McGraw-Hill

Tranzystor przełączający MOSFET dużej mocy Widok różnych wariantów struktury MOSFET (kanał-n): HEXFET VMOS SIPMOS - konstrukcja z kontaktem drenu od spodu podłoża (montowanego do obudowy) umożliwia dobre odprowadzenie ciepła przy dużej mocy wydzielanej w tranzystorze - krótki kanał indukowany w cienkiej warstwie typu-p umożliwia dużą szybkość działania przyrządu z dużą gęstością przełączanego prądu drenu

Tranzystor IGBT IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor Połączenie tranz. bipolarnego (przepływ prądu jak w tranz. bipolarnym) ze strukturą MOS (załączanie napięciem bramki U GE ) Zalety: -Małe napięcie U CE w stanie załączenia - Bardzo duże przełączane napięcia [kv] - Bardzo duże wartości prądu 100A i więcej - symbol - układ zastępczy Source:

Tranzystor IGBT IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor - przykład układu pracy, regulacja mocy w obciążeniu (load) = uc mikrokontroler, programowalny układ wyzwalający (trigger) Source: Wikipedia

Tranzystor jednozłączowy UJT UJT - Unijunction Transistor Napięcie przełączające, V p jest ustalane za pomocą napięcia zasilającego międzybazowego V BB charakterystyka I-U UJT - Unijunction Transistor współczynnik podziału napięć:

Tranzystor jednozłączowy UJT - zastosowanie UJT - Unijunction Transistor Układ generatora relaksacyjnego (samowzbudnego) z UJT Okres oscylacji generatora T=1/f

Tranzystor jednozłączowy programowany PUT - Programmable Unijunction Transistor Napięcie przełączające, V p r ustalane jest za pomocą dzielnika (R 2, R 1 ) napięcia zasilającego V BB A G 0 K