Erősáramú félvezető eszközök

1. Kiss László Erősáramú félvezető eszközök A négyrétegű dióda és a tirisztor Elektronikai technikus szakképzés 13. évfolyam

2. Bevezetés Kezelési útmutató A tananyag tagozódása A tananyag célkitűzése Követelmények és kompetenciák Tartalmi leírás Tanulói tevékenység formák Motiváció A meglévő ismeretek frissítése Meglévő ismeretek összefoglalása Részellenőrzés Részellenőrzés válaszai Négyrétegű dióda Négyrétegű dióda összefoglalás Ellenőrzés a négyrétegű diódából A tirisztor A tirisztor összefoglalása Ellenőrzés a tirisztorból Válaszok négyrétegű diódához Válaszok a tirisztorhoz Értékelés Fogalomtár Irodalom és webes hivatkozás jegyzék Tárgymutató Tartalomjegyzék

3. Bevezetés • Minden tudás annyit ér, amennyit a gyakorlatba hasznosan át lehet ültetni. • Mobilizálható tudás csak sok és kemény munkával szerezhető. • Ennek az elektronikus tananyagnak a célja, hogy elősegítse két különleges félvezető eszköz, a négyrétegű dióda és a tirisztor lényegének elsajátítását. • A tananyag terjedelmi okok miatt csak a nélkülözhetetlen elméleti ismereteket közli, és kéri számon. • Az elméleti anyagot laboratóriumi gyakorlat kell, hogy kövesse. • Az elmélet és a gyakorlat egysége teremti meg a munkaerőpiacon értéket jelentő tudást. • A tanulásban nincs „királyi út”. Kinek több, kinek kevesebb időre van szüksége, de mindenkinek meg kell küzdeni az új ismeretek megszerzéséért. • Lásson hozzá, jó tanulást kívánok.

4. Kezelési útmutató • A tananyag kezelése egyszerűen elsajátítható, mondhatni minden funkció önmagáért beszél. • A funkciógombok piktogramjai egyértelműek. • Az jelű gomb a kezelési útmutatóra navigál. • A szövegközi aláhúzott szavak a fogalom tárra viszik a felhasználót. • A tárgymutatóban lévő szavak bármelyikére kattintva arra az oldalra navigál a program, ahol az adott tárgyra vonatkozó legalaposabb meghatározás található. Ha az adott szó több helyen előfordul, akkor a fontosság sorrendjében tud a felhasználó a legalaposabb meghatározástól a legkevésbé alapos felé navigálni. i

5. A tananyag tagozódása • A tananyag ismeretátadó céllal készült. • Felépítésében öt fő részre tagozódik. • A meglévő ismeretek frissítése, és összefoglalással, ellenőrzéssel történő lezárása. • A négyrétegű dióda, mint első új tananyagegység feldolgozása. • A tirisztor, mint második fő tananyagegység feldolgozása. • Az egyes anyagrészekhez tartozó ellenőrzés és értékelés. • Az ismeretek elsajátítását megkönnyítő fogalomtár és a keresést segítő tárgymutató.

6. Az elektronikus tananyag célkitűzése A jelen elektronikus tananyag hármas céllal készült: • Otthoni nyugodt körülmények között ismerje meg a tanuló a címben szereplő alkatrészek elméleti alapjait. • Kialakítsa a tanulóban az önálló ismeretszerzés képességét. • Felkeltse a tanuló érdeklődését a szakirodalmi anyagok tanulmányozására és kutatására. A cél elérése érdekében felfrissítésre kerülnek az „egyszerűbb” egy PN átmenetes félvezető eszközök.

7. Követelmények és kompetenciák • A tanulóval szemben követelmény, hogy a tananyag minden elemétalaposan tanulmányozza. • Csak akkor haladjon tovább, ha elsajátította és értia szakkifejezéseket, illetve azokat szabadon be tudja építeni saját mondandójába. • Ehhez az ellenőrző kérdések adnak segítséget. • A tananyag elsajátítása után a tanuló megismeri és megérti a címben foglalt félvezető eszközök felépítését és működését. • Képes lesz összefüggéseiben látni a kérdéses eszközöket, és azok alkalmazását. • Az eszközökkel összefüggésben egyéb elektronikai ismeretek birtokába is kerül, úgymint: • Alkalmazás • Kapcsolástechnika • Jellemzők

8. Tartalmi leírás • A tananyag a félvezetők, mint központi mag köré épül fel. • Az új tananyag bevezetését egy frissítés előzi meg, ami előismereteket feltételez és kér számon. • Az anyag lényegi része mint új anyag, a négyrétegű diódára és a tirisztorra összpontosít. • Az ismeretek elsajátítása során fontos, hogy az irodalom és webes hivatkozás jegyzék oldalról, az irodalmit szükség esetén, a webest minden esetben nézze meg és dolgozza fel. • Az elméleti ismeretek megszilárdításához kapcsolódnia kell iskolai laboratóriumi gyakorlatnak, ahol mérések során győződhetnek meg a tanulók az eszközök valós működéséről. • Az egyes szakaszok ellenőrzéssel és értékeléssel zárulnak.

9. Tanulói tevékenységi formák • A tanuló mindenek előtt tanulmányozza az első nyolc dia tartalmát. • Innen akkor lépjen tovább, ha tisztázta magában a célokat, és meg van a kellő motiváltsága. • Ezt követően kezdje el a tananyaggal való ismerkedést. • A tanuló az elektronikus anyag feldolgozása során haladhat lineárisan és elágazásos módon. • A két haladási módot vegyesen alkalmazza, ez a legcélravezetőbb. • Az elágazásokat a belső hivatkozások biztosítják. • Az ismeretszerzés az adott dia megértésével kezdődjön. • A diákról készítsen saját jegyzetet, majd próbáljon meg összefüggéseket keresni az egyes elemek között. • Minden esetben nézze meg a webes hivatkozásokat is! • Végezze el az ellenőrző kérdések megválaszolását és ellenőrizze azokat. • Végül készítsen ismét egy összefüggő jegyzetet a tanultakról.

10. Motiváció • Az eddigiek során a legkülönbözőbb elektronikai eszközökkel, műszerekkel, berendezésekkel találkozott, pl.: oszcilloszkóp, elektronikus fényerő szabályozó, tirisztoros teljesítmény szabályozó, stb. • Vajon hogyan jelenik meg az oszcilloszkóp képernyőjén az időbeni eltérítés? • Milyen az a fűrészfeszültség és hogyan állítható elő? • Hogyan szabályozható egy fogyasztó teljesítménye a gyújtásszög vezérléssel? • Milyen lehet a vezérelt áramirányító (egyenirányító) kapcsolás? • Ebben az elektronikus tananyagban alapokat szerezhet ahhoz, hogy a fenti kérdésekre sikerrel tudjon válaszolni, illetve képes legyen elkészíteni alapvető áramköröket.

11. A meglévő ismeretek felfrissítése • A félvezető olyan kristályos szerkezetű anyag, amely szobahőmérsékleten szigetelőként viselkedik. • A vezetési sáv és a vegyértéksáv energia távolsága ΔE=0,7÷1,2eV • Alapanyaguk általában Ge és Si. • Ahhoz, hogy a vezetése szobahőmérsékleten is megvalósuljon „szennyezni kell”. • A szennyezés elektron többlet, vagy elektron hiány előállításával történik. • Az első, a donor (5 vegyértékű), a második az akceptor (3 vegyértékű) szennyezés. E Vezetési sáv E2 E1 ΔE=0,7÷1,2eV Vegyérték sáv x Félvezetők energia diagramja

12. A meglévő ismeretek felfrissítése • Vannak egyszerű egyenirányító diódák, de vannak speciális diódák is. • Ilyenek pl.: Zener dióda, PIN dióda, Kapacitás dióda, Alagút dióda, Shotky dióda, stb. • A félvezetőkből az elektronikai ipar számára diódák, tranzisztorok, félvezető alapú érzékelők, optoelektronikai alapú eszközök, stb. készülnek. • A félvezető diódák egy PN átmenetet tartalmazó eszközök. • A bipoláris tranzisztorok két PN átmenetet tartalmazó eszközök. • Az unipoláris tranzisztorok ugyancsak egy PN átmenetet tartalmaznak. • Néhány fontos dióda típus a PIN dióda, a Tűs dióda és a Kapacitás dióda.

13. A meglévő ismeretek felfrissítése A tűs-dióda felépítése A Kapacitás dióda felépítése

14. A meglévő ismeretek felelevenítése során érintettük a: A félvezetők szerkezetét Jellemzőit Energia viszonyait Alapanyagait A szennyezésük szükségességét Említés történt az egyes típusokról, pl.: Zener dióda Shotky dióda Alagút dióda És részletesebben: A PIN diódáról A tűs diódáról A kapacitás diódáról Meglévő ismeretek összefoglalása

15. Részellenőrzés • A félvezető anyagszerkezete: a) Kristályos b) Amorf c) Folyékony • A félvezető szobahőmérsékleten úgy viselkedik, mint a: a) Vezető b) Szigetelő • A félvezető jellemző tiltott sávja: a) 0,2-0.9 eV b) 1,7-3,2 eV c) 0,7-1,2 eV • Az öt vegyértékű szennyezés neve: a) Akceptor szennyezés b) Donor szennyezés 5. A tűs dióda tokozása lehet: a) Fém b) Műanyag c) Üveg

16. A részellenőrzés válaszai • a) Kristályos • b) Szigetelő • c) 0,7-1,2 eV • b) Donor szennyezés • c) Üveg tokozás

17. A négyrétegű dióda • A négyrétegű dióda különleges félvezető eszköz. • Záró irányban a hagyományos diódának felel meg. • Nyitó irányban, ha UF elérte UB értékét, akkor a dióda kinyit. • A blokkolási tartományból az átmeneti tartományon keresztül jut el a vezetési tartományba. • Mindaddig vezető állapotban marad, amíg a feszültség, vagy az áram értéke egy kritikus szint alá nem csökken. • A négyrétegű dióda helyettesíthető két komplementer tranzisztorral, amelyek vezető irányban kölcsönösen telítésbe vezérlik egymást.

18. A négyrétegű dióda felépítése K A P+ N P N+ A négyrétegű dióda szerkezeti kialakítása A négy félvezető réteg három határréteget hoz létre H1 H2 H3 A négyrétegű dióda helyettesíthető három sorba kapcsolt diódával A D1 és D3 dióda nyitó, a D2 dióda záró irányban van igénybe véve D1 D2 D3

19. A négyrétegű dióda helyettesítő képe A Ha a négy egymást követő réteget a metszősík mentén képzeletben „elvágjuk” két db tranzisztort nyerünk. Egy PNP és egy NPN típusút. Így nyerjük a négyrétegű dióda két tranzisztoros helyettesítő képét. Ha az anódra (+), a katódra (-) polaritást kapcsolunk, akkor a két tranzisztor kölcsönösen telítésbe vezérli egymást, és a négyrétegű dióda kinyit. P+ N P N+ A T1 K T2 Metsző sík A négyrétegű dióda két tranzisztoros helyettesítő képe K

20. A négyrétegű dióda karakterisztikája I IF Vezetési tartomány mA Átmeneti tartomány R UR IH UZ U A UR UF UH UB UAK V Záró tartomány Blokkolási tartomány K UH = kritikus feszültség UB = billenési feszültség UZ = Zener feszültség IH = kritikus áram IR

21. A négyrétegű dióda alkalmazása C töltése a blokkolási tartományban, RD>>0Ω Uki UB elérése, RD≈0Ω, itt a dióda átbillen a vezetési tartományba R C kisütése Ube C Uki t A négyrétegű dióda egyszerű kapcsolása fűrészjel előállításra

22. A négyrétegű dióda összefoglalása • A négyrétegű dióda négy félvezető rétegből áll, amely három határréteget képez. • Helyettesíthető két darab komplementer tranzisztorral. • Záró irányban a hagyományos diódának felel meg. • Nyitó irányban három tartománya van • Blokkolási • Átmeneti • Vezetési • Mindaddig vezető állapotban marad, amíg a vezető irányú feszültség, vagy áram értéke UH, vagy IH alá nem csökken. • Egyszerű kapcsolástechnikával fűrészfeszültség előállítására alkalmas.

23. A négyrétegű dióda …….. határrétegből áll. Ez három darab ………………….. felel meg. A ……-…… nyitó, a ….. záró irányban van előfeszítve. A helyettesítő képe két darab …………………………………. áll. Ez a két darab ……....................................... kölcsönösen ………… …………………. egymást. Nyitóirányú karakterisztikája …………………...................... osztható. Ezek a ……………………………. ……………………………. ……………………………. Alkalmazása pl.:………………………………………..előállítására. Válaszok ellenőrzése itt. Válaszok szerinti értékelés itt. Ellenőrzés a négyrétegű diódából

24. A tirisztor • A tirisztor vezérlő elektródával ellátott négyrétegű dióda. • Két stabil üzemállapota van, a vezető és a záró állapot. • Készítenek anód és katód vezérlésű tirisztorokat. • A tirisztornak értelmezzük az UB nyitó és UBR záró billenési feszültségét. • UBR közelében a tirisztor átüt (lavina effektus) és maradandóan károsodik. • A tirisztor elektronikai szempontból helyettesíthető két tranzisztoros helyettesítő képével. • A tirisztort alkalmazzák DC és AC áramkörökben. • DC áramkörben mindaddig vezet a tirisztor, amíg anódja pozitívabb, mint a katódja. • DC áramkörben a tirisztor kikapcsolásáról gondoskodni kell. • AC áramkörben a jel nulla átmenetekor automatikusan kikapcsol.

25. A katód vezérelt tirisztor felépítése K A P+ N P N+ A tirisztor szerkezeti kialakítása „G” a tirisztor katód közeli vezérlő elektródája G A katódvezérelt tirisztor áramköri jelölése K A G G Az anódvezérelt tirisztor áramköri jelölése K A

26. A tirisztor helyettesítő képe A Ha a négy egymást követő réteget a metszősík mentén képzeletben „elvágjuk” két db tranzisztort nyerünk. Egy PNP és egy NPN típusút. Így nyerjük a tirisztor két tranzisztoros helyettesítő képét. Ha az anódra (+), a katódra (-) polaritást kapcsolunk, valamint a Gate elektródát U>0V feszültséggel vezéreljük, akkor a két tranzisztor kölcsönösen telítésbe vezérli egymást, és a tirisztor kinyit. P+ N G P N+ A T1 K T2 G Metsző sík A tirisztor két tranzisztoros helyettesítő képe

27. A tirisztor karakterisztikája I IF Vezetési tartomány mA R UR Átmeneti tartomány IL IG1<0 IH U UBR A IG0=0 IG UAK RG V UR UF UB1 UH UB0 < < K Záró tartomány UGK Blokkolási tartomány UH = kritikus feszültség IL = reteszelési áram UB = billenési feszültség IG = vezérlő áram UBR = Záró küszöb feszültség IH = kritikus áram IR

28. A tirisztor gyújtáskésleltetési szöge • A gyújtáskésleltetési szög lényege, hogy az AC szinusz hullám nulla átmenetekor, vagy azt követően milyen időpontban kapcsoljuk be a tirisztort. Ezt mutatja az alábbi ábrasor. U1 IT t IT R U1 t UT UT IG t IG Gyújtó áramkör t α gyújtáskésleltetési szög

29. A tirisztor DC kikapcsolása It I2 IC Rt Rt R2 R2 C C IC - - + + U1 U1 IC IC Ti2 Ti2 Ti1 Ti1 UC G1 G1 G2 G2 Ti1 vezet és Ti2 zár. Az Rt-n áram folyik. Ekkor a C kondenzátor az R2-őn keresztül töltődik. Ti1 kikapcsolása úgy történik, hogy Ti2-re vezérlőimpulzust kapcsolunk. Így Ti2 bekapcsol, és C kisül a Ti1-en ellentétes polaritással, ami Ti1-et lezárja. Ti1 = fő-tirisztor Ti2 = segéd-tirisztor Rt = hasznos terhelés R2 = a kondenzátor töltőáramát korlátozó ellenállás

30. Tirisztoros félig vezérelt hídkapcsolás AC Forgórész D1 D2 Soros gerjesztő tekercs _ A1 D1 D2 A2 + M Ti1 LF Ti2 X1 X2 Tirisztorok vezérlése Áramkorlátozó fojtó tekercs A tirisztorok az egyenirányító híd egyik ágát alkotják. A gyújtásszög változtatásával változtatható a DC jel szintje, amely pl.: jelen esetben egy soros DC motor fordulatszám szabályozását látja le.

31. A tirisztor összefoglalása • A tirisztor tananyagegységében megismerkedtünk: • A felépítésével • Áramköri jelölésével • Működésével • A tirisztor mérőkapcsolásán keresztül megismertük a karakterisztikáját. • Tisztáztuk az AC és DC áramkörben való alkalmazást és ezen belül: • A DC áramkörben való kikapcsolást, és • Az AC áramkörben, a gyújtáskésleltetési szög fogalmát • Végül egy vezérelt áramirányító kapcsolást ismertünk meg.

32. Ellenőrzés a tirisztorból • Milyen elektronikai alkatrész a tirisztor? • Vezérlés szempontjából milyen tirisztorokat különböztetünk meg? • UBR közelében milyen hatás érvényesül? • Mikor vezet egy tirisztor? • Milyen áramkörben kell gondoskodni a tirisztor kikapcsolásáról? • Mit mutat meg a gyújtáskésleltetési szög? • Rajzolja le a tirisztor két tranzisztoros helyettesítő képét! • Rajzolja le a tirisztor karakterisztikáját! • Mondjon példát a tirisztor alkalmazására. • Rajzolja le a tirisztor szerkezeti kialakítását. • Válaszok ellenőrzése itt.

33. Négyrétegű dióda kérdések és válaszok • A négyrétegű dióda három határrétegből áll. • Ez három darab diódának felel meg. • A D1-D3 nyitó, a D2 záró irányban van előfeszítve. • A helyettesítő képe két darab komplementer tranzisztorból áll. • Ez a két darab komplementer tranzisztor kölcsönösen telítésbe vezérli egymást. • Nyitóirányú karakterisztikája három tartományra osztható. • Ezek a • Blokkolási tartomány • Átmeneti tartomány • Vezetési tartomány • Alkalmazása pl.: fűrészfeszültség előállítására. • Válaszok szerinti értékelés itt.

34. Tirisztor kérdések és válaszok • A tirisztor vezérlő elektródával ellátott elektronikai alkatrész. • Vezérlés szempontjából anód és katód vezérlésű tirisztorokat különböztetünk meg. • UBR közelében a lavinahatás érvényesül. • A tirisztor akkor vezet, ha az anódja pozitívabb mint a katódja. • DC áramkörben kell gondoskodni a tirisztor kikapcsolásáról. • A gyújtáskésleltetési szög azt mutatja meg, hogy a tirisztort az AC jel nulla átmenete után mikor kapcsoljuk be. • A kéttranzisztoros helyettesítő kép itt. • A tirisztor karakterisztikája itt. • A tirisztorok legjelentősebb alkalmazása a teljesítményszabályozás területén van. • A tirisztor szerkezeti kialakítása itt. • Válaszok szerinti értékelés itt.

35. NÉGYRÉTEGŰ DIÓDA Ha mind a nyolc kérdésre helyesen válaszolt tovább haladhat az anyagban. Ha öt, hat, vagy hét kérdésre adott helyes választ, röviden ismételje át a tanultakat. Ha a helyes válaszok száma négy, vagy attól kevesebb, akkor az anyag elsajátításának a hatékonysága nem megfelelő. Kezdje újra az anyagot, de előtte fordítson több időt a meglévő ismeretek frissítése című diákra. TIRISZTOR Ha kilenc vagy tíz kérdésre helyesen válaszolt, tovább haladhat az anyagban. Ha a helyes válaszok számaöt és nyolcközött van, röviden ismételje át a tanultakat. Ha a helyes válaszok száma öt, vagy attól kevesebb, akkor az anyag elsajátításának a hatékonysága nem megfelelő. Kezdje újra az anyagot, de előtte fordítson több időt a meglévő ismeretek frissítése című diákra. A válaszok szerinti értékelés

36. Fogalomtár • Időbeni eltérítés: amikor egy időben változó feszültség jelet egy oszcilloszkóp képernyőjén megjelenítünk. Az időbeni eltérítéshez fűrészfeszültséget használunk. • Fűrészfeszültség:olyan matematikai jelalak, amelynek felfutó éle az y=mx+b egyenlettel írható le, míg lefutó éle egy meghatározott „t0” időpontban szakadást mutat. • Szigetelő: olyan anyag, amelyben a szabad töltéshordozók száma csekély, és azok egymáshoz mért távolsága olyan nagy, hogy kölcsönhatás nem tud kialakulni közöttük. • Félvezető szennyezése: a vegyileg tiszta (intrinsic) félvezető szobahőmérsékleten szigetelőként viselkedik. Azért, hogy a gyakorlat számára használható legyen, donor vagy akceptor szennyezést kell alkalmazni. • Donor szennyezés: olyan szennyezés, amely elektron többletet biztosít a félvezető anyagban, így szabad töltéshordozót hozva létre, pl.: az 5 vegyértékű Foszfor.

37. Fogalomtár • Akceptor szennyezés: olyan szennyezés, amely elektron hiányt hoz létre a félvezető anyagban, így ún. lyukak keletkeznek, amelyek részt tudnak venni a töltésáramlás folyamatában, pl.: a 3 vegyértékű Bór. • PIN dióda:olyan dióda, amelyben a P és N típusú réteg között egy I intrinsic réteget helyeznek el. Ezzel vezető irányban nagy áramterhelés, záró irányban pedig nagy feszültség érhető el. • Tűs dióda:az első (1946 óta) iparilag gyártott félvezető dióda. Az aranytűs kivitele 50 MHz frekvenciáig és 200mA-ig vehető igénybe. • Szabaddá válási idő: tirisztoroknál értelmezzük. Azt fejezi ki, hogy a tirisztor kikapcsolása után mennyi idő kell a „regenerálódásához” az ismételt nyitásig. • Telítés: félvezető eszköz azon tulajdonsága, hogy ha a bemeneti jel változása már nem vonja maga után a kimeneti jel változását.

38. Irodalomjegyzék • Dr. Prohászka János: Bevezetés az anyagtudományba, Nemzeti tankönyvkiadó Rt. Bp. 1997. • Hainzmann-Varga-Zoltai: Elektronikus áramkörök, Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. Bp. 2000. • Török Miklós: Elektronia, JATEPress Szeged, 2000. • http://hu.wikipedia.org/wiki/Tirisztor • http://www.dspsystem.hu/index.php?m=400&K=383&ak=167&akmn=Tirisztor • http://elektroman.uw.hu/vasut/tirisztoros.htm

39. Félvezető Fő-tirisztor Fűrészfeszültség Gyújtáskésleltetési szög Kapacitás dióda Karakterisztika tirisztor Karakterisztika négyrétegű dióda Komplementer tranzisztor Négyrétegű dióda Segéd-tirisztor Szigetelő Vezérelt híd Tárgymutató

40. Köszönöm, hogy megtisztelte a tananyagot a figyelmével.