9. Hμιαγωγικά Στοιχεία Δύο Καταστάσεων Οι διατάξεις αυτές ονομάζονται διατάξεις p-n-p-n ή δίοδοι Shockley. H πλέον διαδεδομένη μορφή διόδου Shockley είναι το θυρίστορ SC (Silicon Conrolled ecifiers). Τα θυρίστορ χρησιμοποιούνται, ευρέως, σε εφαρμογές, όπου πρέπει να ελεγχθεί φορτίο ισχύος DC και C. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται, συχνά, για να τροφοδοτήσουν ένα συγκεκριμένο ποσό ισχύος σε ένα φορτίο ή για να το αφαιρέσουν, εντελώς, από το φορτίο. 9.1. Αρχή λειτουργίας διόδου p-n-p-n δύο καταστάσεων Προσμείξεις (cm -3 ) Ι Ι ΑΚ V ΑΚ 10 20 10 18 10 16 Ρ1 Ν Ρ3 Ν4 J 12 J 23 J 34 (α) 10 14 Ρ1 Ν Ρ3 Ν 10 20 10 18 10 16 10 14 W N2 L P ( 250 μm) (β) Σχ. 9.1. α) Σχηματικό διάγραμμα SC, β) τυπικό προφίλ προσμείξεων. W P3 L N ( 25 μm)
- 2 - I τάση συγκράτησης (reverse bias-holding ή blocking volage) Αυξανόμενο Ι I = 0 -V B V BF V I I τάση ανατροπής Σχ. 9.2. Στατική χαρακτηριστική θυρίστορ SC και κυκλωματικός του συμβολισμός. Εφαρμόζοντας ένα ρεύμα Ι > 0, μειώνεται η τάση ανατροπής και η διάταξη μπορεί να εισέλθει στην κατάσταση αγωγιμότητας για ένα μικρότερο δυναμικό V. Ας σημειωθεί ότι οι τάσεις V B και V BF, μπορούν να είναι της τάξης των εκατοντάδων ή ακόμα και χιλιάδων vols, ενώ η πτώση τάσης στην κατάσταση αγωγιμότητας πάνω στο SC είναι συνήθως της τάξης του vol.
- 3-9.1.1. Λειτουργική Περιγραφή Θυρίστορ SC J 12 Α J 23 J 34 V (α) Κ Ι ΑΚ Α J 12 J 34 Κ -V B V < 0 (β) V BF V ΑΚ Α J 23 Κ V > 0 (γ) Σχ. 9.3. Το μοντέλο των διόδων: α) Τυχαία τάση V, β) V < 0, γ) V > 0. Σχ. 9.4. Χαρακτηριστική του θυρίστορ όπως αυτή προβλέπεται από το μοντέλο των διόδων.
- 4 - Α E B C Ρ1 Ν2 Ρ3 Α Ν2 P3 N4 C B E (α) (β) Κ Σχ. 9.5. Το μοντέλο των δύο τρανζίστορ: α) Σχηματικό διάγραμμα, και β) ισοδύναμο κύκλωμα του μοντέλου. Α V > 0 Ρ Ν Ρ 1 2 4 3 3 2 4 1 Σχ. 9.6. Χρησιμοποίηση του μοντέλου των δύο τρανζίστορ για την εξήγηση του μηχανισμού ανατροφοδότησης που οδηγεί σε μεταγωγή. Αρχική έγχυση φορέων. Διάχυση κατά μήκος 1 2 της περιοχής βάσης. 3 Οι εγχεόμενοι φορείς εισέρχονται στη βάση του άλλου τρανζίστορ. 4 Επιπρόσθετη έγχυση η οποία ενεργοποιείται λόγω της περίσσειας φορέων πλειονότητας στη βάση. N P N
- 5 - a 1 I E a 2 I E Ε I E I 0 C Ε I E I 0 C B B (α) διπολικό τρανζίστορ p-n-p (β) διπολικό τρανζίστορ n-p-n a 1 I E1 Σχ. 9.7. Ισοδύναμα κυκλώματα μεγάλου σήματος για α) ένα διπολικό τρανζίστορ p-n-p πολωμένο στην ενεργό περιοχή, β) ένα διπολικό τρανζίστορ n-p-n πολωμένο στην ενεργό περιοχή, γ) ένα θυρίστορ στην κατάσταση αποκοπής με Ι = 0 και V > 0, δ) ισοδύναμο κύκλωμα θυρίστορ. I Ε1 B1 I 01 a 2 I E2 C1 a 1 I I 01 B2 Α I Ε1 I I C1 I C2 I 02 Ε2 (γ) Θυρίστορ a (δ) Θυρίστορ 2 I I 0 I C2 I I Ε2 Κ I =α 1 I I 01 α 2 I I02 I I01 I02 = 1 ( α α ) 1 2 α 1 α 2 1
- 6-9.1.2. Κυκλωματική Λειτουργία Θυρίστορ SC I ΑΚ V 2 V 1 Ι Η Q OΝ -V S E 0 OFF V 1 V d V 2 V P1 N1 P2 N2 Ι V V V I (α) υ (β) i e υ e V d i I Ε 0 Σχ. 9.8. α) Χαρακτηριστική θυρίστορ για V > 0 και αντίστοιχη γραμμή φορτίου. β) Κύκλωμα πόλωσης του θυρίστορ. γ) Κύκλωμα ελέγχου ρεύματος φορτίου με θυρίστορ. δ) Μεταβολή της ac τάσης και ρεύματος στα άκρα του θυρίστορ. (γ) (δ)
- 7-9.2. Τρανζίστορ μιας ενώσεως (UniJuncion Transisor, UJT) E B 2 p n Ι Β2 V ΒΒ E i E B 2 Β2 Ι Β2 V ΒΒ Περιοχή αποκοπής υe (V) V P Περιοχή αρνητικής αντίστασης Σημείο μέγιστης τάσης Περιοχή κόρου υ E i E V S υ E Β1 κοιλάδα B 1 (α) (β) (γ) B 1 V V Ι P Ι EO Ι V i E (m) Σχ. 9.9. α) Τρανζίστορ μιας ένωσης (UJT). β) Ισοδύναμο κύκλωμα τρανζίστορ UJT. γ) Χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης τρανζίστορ UJT. VB1 Λόγος παραμονής εκτός η= VBB Καθώς η τάση στις αντιστάσεις Β1 και Β2 είναι ανάλογη των τιμών τους, ο λόγος παραμονής εκτός, είναι επίσης, ίσος με το λόγο της Β1 προς τη συνολική αντίσταση, μεταξύ των ακροδεκτών Β 1 και Β 2 ( B1 B2 ). Αυτό μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά, σαν :
- 8 - η= V B1 B1 B1 = η V BB B2 Τάση κορυφής (V P) = η VBB VF Για παράδειγμα, εάν ένα UJT έχει (η) ίσο με 0,6 και V ΒΒ ίση με 10 vols, η τάση κορυφής του θα είναι : (V P) = 0,6 10 0,7 = 6,7 Vols Αυτό σημαίνει ότι η δίοδος θα ενεργοποιηθεί, όταν η τάση εισόδου υ E φθάσει τα 6,7 vols.
- 9 - Εφαρμογή: υ E = υ C = V 1 e C i E 10 kω 1 kω υ C I E1 υ C E 0,2 μf C υ 2 B 2 B 1 1 100 Ω 12 V 0 υ V CP V υ C2 I 0 1 0 (α) (β) 0 I E2 V 0 υ C2 υ E2 (γ) υ C1 υ E1 =V P I P υ E υ C Σχ. 9.10. α) Κύκλωμα παραγωγής παλμών με τρανζίστορ UJT. β) Παλμοί εξόδου. γ) Χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης τρανζίστορ UJT και εξήγηση του τρόπου παραγωγής παλμών.
- 10 - υc VCP υ C2 C C 1 = = 1 e = n e = (1 η) = Cln V V 1 n H χρονική περίοδος Τ της κυματομορφής παλμών εξόδου θα είναι: T = χρόνος φόρτισης χρόνος εκφόρτισης T = d Επειδή, όπως είπαμε η χρονική διάρκεια εκφόρτισης d είναι πολύ μικρή (αμελητέα), προκύπτει ότι T Και επομένως η συχνότητα των παλμών εξόδου 1 f = 1 Cln 1 n Ο αριθμός των ολοκληρωμένων κυματομορφών ή παλμών, που παράγεται κάθε δευτερόλεπτο (συχνότητα του ταλαντωτή), μπορεί να ελεγχθεί, μεταβάλλοντας την. Αν η αντίσταση μειωθεί, ο πυκνωτής C θα φορτισθεί πιο γρήγορα και το κύκλωμα θα λειτουργήσει σε μία υψηλότερη συχνότητα. Όταν η τιμή της αυξάνεται, ο πυκνωτής C χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να φορτισθεί έως την τιμή V Ρ και η συχνότητα ελαττώνεται. Η συχνότητα μπορεί, επίσης, να μεταβληθεί, αντικαθιστώντας τον πυκνωτή C με ένα μικρότερο ή μεγαλύτερο πυκνωτή. Ένας μεγαλύτερος πυκνωτής θα φορτισθεί πιο αργά, ενώ ένας μικρότερος πυκνωτής θα φορτισθεί με γρηγορότερο ρυθμό.
- 11-9.3. Θυρίστορ ή SC (Silicon Conrolled ecifier) i i S V i P1 N1 P2 N2 (α) (β) (γ) Σχ. 9.11. α) Κύκλωμα θυρίστορ. β) Κυκλωματικό σύμβολο θυρίστορ. γ) Χαρακτηριστικές εξόδου θυρίστορ. V V / B i 3 i 2 i 1 υ V i = 0 V d0 υ Εφαρμογές του θυρίστορ: Μια εφαρμογή των ελεγχόμενων ανορθωτών πυριτίου (SC) ή θυρίστορ είναι ο έλεγχος του συνεχούς ρεύματος που διαρρέει ένα ηλεκτρικό φορτίο, π.χ. μια αντίσταση θέρμανσης ή ένα κινητήρα κλπ., χωρίς την παρεμβολή σε σειρά αντιστάσεων. Με τη μέθοδο αυτή αποφεύγονται απώλειες ενέργειας, αφού η ρύθμιση γίνεται με διακοπή του κυκλώματος σε ένα μέρος της περιόδου κατά το οποίο ο ανορθωτής δεν άγει διόλου και επομένως, έτσι ελέγχεται η μέση τιμή του ρεύματος χωρίς απώλειες.
- 12 - ~ υ 1 υ (β) E 0 υ 1 υ 2 υ 2 r 2 r 2 r 1 r 1 D 1 D 2 (γ) D 4 D 3 i r 2 r 2 r 1 r 1 1 i 2 (δ) r 1 i υ 1 (ε) υ 2 2 (α) Σχ. 9.12. α) Κύκλωμα ελέγχου συνεχούς ρεύματος κινητήρα, με θυρίστορ. β) Ανορθωμένη τάση στην έξοδο της γέφυρας (διακεκομμένη γραμμή) και τάση στα άκρα της Zener (συνεχής γραμμή). γ) Τάση στα άκρα του πυκνωτή. δ) Παλμοί εξόδου στα άκρα του τρανζίστορ UJT. ε) Ρεύμα που διαρρέει το φορτίο.
- 13 - τάση στην άνοδο της διόδου Shockley 1 (β) Ρεύμα I V i 2 I 1 2 << έναυση πύλης Γωνία αγωγής 180 τάση εναύσεως (α) V i 2 SC Vi 2 1 (γ) 2 > I τάση στην άνοδο της διόδου Shockley τάση εναύσεως V C C έναυση πύλης Γωνία αγωγής 135 1 (δ) V C τάση πυκνωτού V i V C 2 C 2 >> και C έναυση πύλης I τάση εναύσεως Γωνία αγωγής Σχ. 9.13. α) Κύκλωμα ελέγχου εντάσεως φωτισμού λαμπτήρα. Ρεύμα φορτίου και τάση πυκνωτή για διάφορες τιμές της αντίστασης 2 (περιπτώσεις β, γ και δ). Παράδειγμα:
- 14 - Δίνεται το παρακάτω κύκλωμα για το οποίο γνωρίζουμε ότι για να αρχίσει να άγει το θυρίστορ SC, θα πρέπει η τάση της πύλης V =0,7 V και το ρεύμα πύλης Ι =5 m. Δίνονται επίσης: Ι Η =8 m, =1 kω, C =100 Ω, και V CC =20 V. 1) Να προσδιοριστεί η τάση εξόδου V O, όταν το SC είναι σε κατάσταση αποκοπής (OFF). 2) Να υπολογιστεί η τάση εισόδου για την οποία το SC μεταβαίνει σε κατάσταση αγωγής (ΟΝ). 3) Ποια θα πρέπει να είναι η τάση τροφοδοσίας για να μεταβεί το SC σε κατάσταση OFF, όταν στην κατάσταση ΟΝ το SC διατηρεί στα άκρα του τάση 0,7 V; V CC C V i SC V O Λύση 1) Στην κατάσταση OFF το SC δεν άγει. Επομένως, η τάση εξόδου είναι 20 V. 2) Για να ενεργοποιηθεί το SC θα πρέπει να ισχύσουν και οι δύο απαραίτητες προϋποθέσεις τάσης και ρεύματος στην πύλη του (δηλ. V =0,7 V και Ι =5 m). Επομένως, για να υπολογιστεί η αναγκαία τάση εισόδου θα πρέπει να λάβουμε υπόψη μας την πτώση τάσης πάνω στην αντίσταση προστασίας, λόγω του ρεύματος Ι =5 m που θα διαρρέει την πύλη. Για να μεταβεί λοιπόν στην κατάσταση ΟΝ το SC, θα πρέπει: Vin = V I = 0,7 V 5 m 1 kω = 0,7 V 5 V = 5.7 V 3) Για να μεταβεί στην κατάσταση ΟFF το SC, θα πρέπει το ρεύμα να ελαττωθεί στο ρεύμα συγκράτησης Ι Η, δηλαδή: V = V I = 0,7 V 8 m 100 Ω = 0,7 V 0,8 V = 1.5 V CC H H C
- 15-9.4. DIC και TIC To θυρίστορ που μόλις εξετάσαμε, είναι ελεγχόμενος ανορθωτής, δηλαδή ελεγχόμενος διακόπτης μιας κατεύθυνσης, και χρησιμοποιείται σε κυκλώματα συνεχούς ρεύματος. Πολλές φορές όμως χρειάζονται τέτοιοι ελεγχόμενοι διακόπτες και για κυκλώματα εναλλασσομένου ρεύματος, δηλαδή τότε οι διακόπτες αυτοί πρέπει να είναι δύο κατευθύνσεων. Αν συνδέσουμε παράλληλα και σε αντίθετη φορά δύο διόδους Shockley ή δύο θυρίστορς, θα πάρουμε διακόπτες δύο κατευθύνσεων για εναλλασσόμενο ρεύμα. Με την παραπάνω συνδεσμολογία προκύπτουν δύο σύνθετα στοιχεία, αντίστοιχα με τη δίοδο Shockley και το θυρίστορ, δηλαδή το DIC από τα αρχικά των λέξεων Diode lernaing Curren Swich (το οποίο ουσιαστικά είναι η παράλληλη και σε αντίθετη φορά σύνδεση δύο διόδων Shockley σε ολοκληρωμένη μορφή), και το TIC από τα αρχικά των λέξεων Triode lernaing Curren Swich (το οποίο ουσιαστικά είναι η παράλληλη και σε αντίθετη φορά σύνδεση δύο θυρίστορ σε ολοκληρωμένη μορφή). I N1 P1 N2 P2 P1 N2 P2 N3 -V B0 V B0 V (α) (β) (γ) Σχ. 9.14. Η δίοδος DIC: α) Τομή της DIC, β) κυκλωματικό σύμβολο και γ) γενική μορφή της χαρακτηριστικής της.
- 16-1 i 1 N2 P2 N3 (α) SC1 N1 SC2 (β) SC2 Ρ2-Ν1-Ρ1-Ν4 Ρ1-Ν1-Ρ2-Ν2 SC1 P1 N4 2 i (Α 2 ) I I i I - i - 2 - V B u - I H 0 V u B (γ) (δ) III III i III - i - i - (Α 2 - ) I H - 2 1 Σχ. 9.15. Η τρίοδος TIC: α) Τομή της TIC, β) ηλεκτρικό ισοδύναμο κύκλωμα της TIC, γ) γενική μορφή της χαρακτηριστικής της, δ) κυκλωματικό σύμβολο της TIC.
- 17 - - V B u - N2 SC1 1 III III i III - i - P2 N1 P1 2 i (Α 2 I H 0 i - (Α 2 - ) N3 SC2 I H - N4 i I I i I - i - V u B 1. Tρόπος I, ( 2 ), ( 1 - ), i (η πύλη είναι σε υψηλότερο δυναμικό σε σχέση με τον ακροδέκτη Α 1 ). Όταν ο ακροδέκτης Α 2 είναι θετικά πολωμένος ως προς τον ακροδέκτη Α 1 το ρεύμα ρέει δια της οδού P1-N1-P2-N2. Οι δύο ενώσεις P1-N1 και P2-N2 είναι ορθά πολωμένες ενώ η ένωση N1-P2 είναι ανάστροφα πολωμένη. Η TIC θεωρείται θετικά πολωμένη. Μια θετική τάση στην πύλη ως προς τον ακροδέκτη Α 1 πολώνει ορθά την ένωση P2-N2 και διεγείρει το SC1 το οποίο άγει. 2. Tρόπος I -, ( 2 ), ( - 1 ), i - (η πύλη είναι σε χαμηλότερο δυναμικό σε σχέση με τον ακροδέκτη Α 1 ). Αν και η διαδρομή του ρεύματος παραμένει η ίδια όπως και στην προηγούμενη περίπτωση 1, τώρα η ένωση P2-N3 είναι ορθά πολωμένη και οι φορείς που εγχέονται μέσα στην Ρ2 διεγείρουν το SC1 που τελικά άγει. 3. Tρόπος ΙΙI -, ( - 2 ), ( - 1 ), i (η πύλη είναι σε χαμηλότερο δυναμικό σε σχέση με τον ακροδέκτη Α 1 ). Όταν ο ακροδέκτης Α 2 είναι αρνητικά πολωμένος ως προς τον ακροδέκτη Α 1 το ρεύμα ρέει δια της οδού P2-N1-P1-N4. Οι δύο ενώσεις P2-N1 και P1-N4 είναι ορθά πολωμένες ενώ η ένωση N1-P1 είναι ανάστροφα πολωμένη. Η TIC θεωρείται αρνητικά πολωμένη. Μια αρνητική τάση στην πύλη ως προς τον ακροδέκτη Α 1 εγχέει φορείς πολώνοντας ορθά την ένωση P2-N3 και επομένως διεγείρει το SC2 το οποίο άγει. 4. Tρόπος ΙΙI, ( - 2 ), ( 1 ), i (η πύλη είναι σε υψηλότερο δυναμικό σε σχέση με τον ακροδέκτη Α 1 ). Αν και η διαδρομή του ρεύματος παραμένει η ίδια όπως και στην προηγούμενη περίπτωση 3, τώρα η ένωση P2-N2 είναι ορθά πολωμένη και οι φορείς που εγχέονται μέσα στην Ρ2 διεγείρουν το SC2 που τελικά άγει. Από τα παραπάνω φαίνεται ότι είναι δυνατή η διέγερση του TIC για οποιαδήποτε φορά του ρεύματος του κυρίως κυκλώματος και με οποιαδήποτε φορά του ρεύματος διεγέρσεως πύλης, δηλαδή το TIC ενεργοποιείται είτε με αρνητική είτε με θετική τάση πύλης.
- 18 - Εφαρμογές των DIC και ΤIC: Καθώς το TIC άγει σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, προσφέρεται περισσότερο για εφαρμογές όπου πρέπει να ελεγχθεί η C ισχύς. Μια τυπική εφαρμογή είναι ο ρυθμιστής εντάσεως φωτισμού λυχνιών πυρακτώσεως. Στο Σχ. 9.16α φαίνεται ένα τέτοιο κύκλωμα στην απλή του μορφή. Σ αυτό, το TIC είναι συνδεδεμένο σε σειρά με το φορτίο που είναι μια λυχνία πυρακτώσεως. Στην αρχή κάθε ημιπεριόδου, το TIC δεν άγει και ολόκληρη σχεδόν η τάση της πηγής βρίσκεται στα άκρα του TIC. Έτσι, το φορτίο έχει αμελητέα τάση που οφείλεται μόνο στο μικρό ρεύμα διαρροής του TIC όταν αυτό δεν άγει, που είναι μερικά μόνο m. I (α) V i Α 2 TIC V C C DIC Α 1 (β) Τάση πηγής, V i Τάση πυκνωτή, V C Πρώτο σημείο σκανδαλισμού πύλης I V BO DIC Δεύτερο σημείο σκανδαλισμού πύλης -V Δεύτερο BO DIC θεωρητικό σημείο σκανδαλισμού πύλης Σχ. 9.16. α) Κύκλωμα ελέγχου έντασης λυχνίας πυρακτώσεως. β) Τάση στα άκρα του πυκνωτή (διακεκομμένη γραμμή) και ρεύμα που διαρρέει τη λυχνία.
- 19 - Παράδειγμα: 1 I V 2 3 Α 2 TIC V C C DIC Α 1 Στο κύκλωμα του παραπάνω σχήματος, δίνονται: 1 =12 Ω, 2 =68 kω, 3 =2 kω, C=1 μf, V=80 V, η τάση ανατροπής του DIC είναι 35 V και η τάση και το ρεύμα σκανδαλισμού του TIC είναι 1 V και 10 m αντίστοιχα. 1) Ποιο θα είναι το ρεύμα που διαρρέει το TIC όταν βρίσκεται στην κατάσταση ΟΝ; 2) Ποια είναι η ελάχιστη τάση του πυκνωτή C, που προκαλεί σκανδαλισμό του TIC; Λύση: 1) Θεωρούμε ότι η τάση στα άκρα του TIC είναι μηδέν όταν αυτό άγει (ΟΝ). Έτσι: V 80V I= = = 6.67 12Ω 1 2) Ο πυκνωτής φορτίζεται μέσω της 2. Για να γίνει σκανδαλισμός του TIC θα πρέπει η τάση στα άκρα του DIC να ξεπεράσει την τάση ανατροπής. Επειδή η τάση σκανδαλισμού του TIC είναι 1 V και η τάση ανατροπής του DIC 35 V, θα έχουμε: V = V V = 35 V 1 V = 36 V C BO T Αυτή είναι η ελάχιστη τάση η οποία προκαλεί σκανδαλισμό του TIC. Επειδή, μόλις ξεπεραστεί η τάση ανατροπής 35 V του DIC, αυτό άγει και ισοδυναμεί με βραχυκύκλωμα, εξασφαλίζεται η απαίτηση των 10 mα για το ελάχιστο ρεύμα σκανδαλισμού του TIC, το οποίο διαρρέει την αντίσταση προστασίας 3, αφού η τάση στα άκρα του πυκνωτή θα είναι 36 V και θα δώσει ένα ρεύμα VC V 36V 1V I = = = 17.5 m 2kΩ 3.