Лекция 3. Тиристоры и симисторы. Оптроны
Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами, в вольт-амперной характеристики которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления. Исходя из принципа действия, тиристор является ключевым прибором, т.е. он может находиться в одном из устойчивых состояний равновесия – или включен или
Классификация. В зависимости от числа электродов различают диодные тиристоры (динисторы), имеющие два электрода или триодные (тринисторы), имеющие три электрода (рис. 3.1). В зависимости от способности пропускать ток в одном или двух направлениях тиристоры подразделяются на однопроводящие или двухпроводящие (симметричные тиристоры – симисторы). В триодных тиристорах управление состоянием производится пот цепи управляющего электрода. При этом могут выполняться либо одна, либо две операции изменения состояния прибора. Поэтому различают одно- и двухоперационные тиристоры. В однооперационных (незапираемых) по цепи управления осуществляется только
отпирание тиристора. Двухоперационные тиристоры допускают по цепи управления и отпирание (как в рассмотренном выше случае), так и запирание при подаче на управляющий электрод импульса отрицательной полярности относительно катода.
Принцип действия. Наиболее простой является четырехслойная полупроводниковая структура типа p1-n1-p2-n2 (рис.3.2) . Крайние области, имеющие высокую концентрацию основных носителей заряда, называют эмиттерами, а центральные области (с низкой концентрацией носителей заряда) – базами. Электрод, присоединенный к эмиттеру р1, называют анодом, а к эмиттеру n2– катодом. Базы тиристора отличаются концентрацией примесных атомов и толщиной. База р2 имеет более высокую концентрацию примесных атомов и меньшую толщину, чем база n1. К базе р2 подсоединяют управляющий электрод. При отсутствии внешнего напряжения на p-n переходах тиристора П1–П3 устанавливается
состояние термодинамического равновесия, при котором токи дрейфа и диффузии, проходящие через p-n переходы, взаимно уравновешиваются. Общий ток тиристора равен нулю. Если на тиристор подать напряжение U АК прямой полярности (как на рис. 3.2), то эмиттерные переходы П1 и П3 будут включены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном. Поскольку сопротивление открытых эмиттерных переходов невелико, то всё внешнее напряжение будет приложено к закрытому переходу П2. Дырки, инжектированные из эмиттера р + 1, диффундируют через базу n − 1 к закрытому p-n переходу, перебрасываются его полем в область базы р − 2 и далее движутся катоду. Аналогичным образом происходит встречное движение электронов, инжектированных из n + 2 эмиттера. При этом через тиристор проходит небольшой ток, зависящий от внешнего напряжения, инжекции эмиттерных p-n переходов, рекомбинации носителей заряда в базах, термогенерацией носителей заряда в базах и объеме обратно включенного коллекторного p-n перехода П2, а также эффектом лавинного размножения носителей заряда в объеме p-n перехода П2:
где I КО – обратный ток перехода П2, - коэффициент передачи дырочного тока через n − 1 базу; - коэффициент передачи электронного тока через р − 2 базу.
Если к управляющему электроду приложить положительное относительно
катода напряжение, то в цепи управляющего электрода потечет ток управления , увеличивающий общий ток тиристора и будет происходить снижение потенциального барьера p-n перехода П3. Уравнение (3.1) при этом примет вид:
Тиристор можно перевести из состояния низкой проводимости (закрыт) в состояние высокой проводимости (открыт) двумя способами. Первый способ связан с повышением напряжения анод-катод UАК , приложенным к тиристору прямой полярностью при токе управления . Повышение напряжения вызывает увеличение тока через коллекторный переход за счет увеличения тока утечки по поверхности перехода и умножения в нем носителей за счет их лавинного размножения в объеме p-n перехода П2 . Рост тока в свою очередь вызывает увеличение коэффициентов и , что приводит к росту количества носителей заряда, инжектируемых эмиттерными p-n переходами и т.д. При достижении напряжения включения UВКЛ рост концентрации носителей заряда в закрытом p-n переходе П2 принимает лавинообразный характер и происходит скачкообразное включение тиристора (рис. 3.3). Ток через тиристор скачком возрастает до величины IA , определяемой внешним напряжением и сопротивлением нагрузки.
Второй способ включения связан с подачей напряжения положительной полярности на управляющий электрод тиристора относительно катода. В этом случае ток управления Iу , протекающий в цепи управляющего электрода, снижает потенциальный барьер p-n перехода П3, что приводит к увеличению коэффициента и росту тока через тиристор (составляющая Iув выражении (3.2)). Вследствие этого, включение тиристора происходит при меньшем напряжении между анодом и катодом.
Выключение тиристора на постоянном токе, т.е. перевод его с рабочего участка de на участок bc или ab производится при снижении тока нагрузки до величины, меньшей тока удержания IУД или приложении обратного напряжения к тиристору.
Симметричные тиристоры (симисторы) предназначены для работы на переменном токе. Их можно представить как два встречно включенных параллельно тиристора, поэтому они имеют симметричную вольт-амперную характеристику, расположенную в первом и третьем квадрантах.
На практике тиристоры включают, как правило, с помощью импульсов управления. Процесс включения тиристоров зависит от многих факторов: параметров цепи управления, свойств полупроводниковой структуры и её температуры, параметров цепи нагрузки. Основные статические параметры цепи управления тиристоров определяют из диаграммы управления, характеризующей область токов и напряжений сигнала управления, при которых происходит включение тиристора (рис. 3.4). На этой диаграмме в системе международного обозначения показаны следующие параметры:
UG - постоянное напряжение управления;
IG - постоянный ток управления;
UGТ – отпирающее постоянное напряжение управления;
IGТ - отпирающий постоянный ток управления;
UFGM – прямое импульсное напряжение управления;
IFGM – прямой импульсный ток управления;
РGM – импульсная рассеиваемая мощность управления.
Границами диаграммы управления являются ВАХ цепи управляющего электрода, снятые при максимальной (левая кривая) и минимальной (нижняя кривая) температурах полупроводникового элемента, а также кривая импульсной рассеиваемой мощности управления, которая зависит от относительной длительности импульса.
При выборе параметров импульса управления необходимо стремиться к возможно коротким импульсам с минимальной длительностью переднего фронта и максимально допустимой амплитудой тока. Это способствует уменьшению времени включения, мощности потерь и повышения стойкости тиристора к повышенным значениям di / dt. При активной и активно-емкостной нагрузке минимально допустимая длительность импульса управления зависит только от параметров тиристора и составляет 2 -10 мкс. При активно-индуктивной нагрузке минимально допустимая длительность импульса управления может достигать единиц миллисекунд.
Симметричные тиристоры (симисторы)
Это тиристоры, которые отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в оба направления. Симмистор можно получить путем встречно-параллельного включения двух тиристоров и объединения управляющих электродов.
На рис. 3.5 показана структура симметричного тиристора и его ВАХ. В зависимости от полярности напряжения поочередно работает или левая, или правая половина.
- маломощные (I ≤ 0,3 А);
- средней мощности (0,3 А < I ≤ 10 А);
- большой мощности (I = 10…350 А и больше).
Силовые симисторы имеют маркировку ТС –ХХХ – К, где:
ТС – тиристор симметричный
ХХХ – прямой ток, А;
К – класс симистора, который определяется как К = UМЗ / 100 B, где UМЗ – максимально допустимое напряжение в закрытом состоянии. Величина К может достигать значений до 16 -18 едениц.
Тиристоры (симисторы) применяются в различных схемах электроники и автоматики, в преобразователях напряжения переменного тока, в качестве твердотельных реле переменного тока и т.д.
Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения (ИИ), фотоприемник (ФП), объединенные в одной конструкции, которые могут быть связаны оптически, электрически или одновременно обеими связями (рис. 3.6).
В качестве ИИ, как правило, выступают арсенидо-галлиевые излучающие светодиоды с длиной волны излучения порядка 1 мкм. В качестве ФП используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры (фотосимисторы). Связующим элементом между ИИ и ФП служат пассивные или активные оптические среды (ОС). В оптронах с прямой внутренней оптической связью осуществляется преобразование: электрический сигнал – оптический сигнал – электрический сигнал. В современной технике наибольшее распространение получили диодные, транзисторные и тиристорные (симисторные) оптопары (рис. 3.7).
Входная цепь оптопар определяется параметрами излучающего диода:
входным током через диод Iвх и падением напряжения на диоде ΔU при заданном значении входного тока. Предельные значения (входной постоянный ток Iвх.п.) и ΔU для разных типов излучающих светодиодов приводятся в паспортных данных.
Для большинства современных оптронов значение Iвх.п. равно 10 мА или 20 мА, а
ΔU =1,3…1,5 В. Для задания этих параметров во входной цепи необходимо установить балластное сопротивление:
где Uвх - входное напряжение оптопары.
Параметры выходной цепи оптопар определяются параметрами соответствующих фотоприемников. Усилительные свойства оптопар характеризуются статическим коэффициентом передачи тока K I = I вых / I вх.
В диодных оптопарах коэффициент передачи измеряется в процентах, он примерно равен значению квантового выхода светодиода и составляет единицы процентов. Для описания свойств диодных оптопар используются передаточные и выходные вольт-амперные характеристики в фотодиодном режиме. Передаточные характеристики
I вых = f(I вх) для диодных оптопар практически линейны. Выходная характеристика оптопары аналогична обратной ветви вольт-амперной характеристики фотодиода. Обратный ток практически не зависит от напряжения. Этот класс оптопар имеет самое высокое быстродействие.
В транзисторных оптопарах, как правило, используются фототранзисторы со структурой n-p-n на основе кремния, чувствительные к излучению с длиной волны около 1 мкм. При отсутствии излучения в цепи коллектора фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, протекает обратный (темновой) ток. При облучении в базовой области генерируются пары электрон- дырка. Электроны вытягиваются из базы в сторону положительно заряженного коллектора, а дырки остаются в базе и создают положительный заряд. Это эквивалентно возникновению отпирающего тока базы транзистора, вследствие чего ток коллектора увеличивается. Соотношение между токами базы и коллектора следующее:
Iвых = h 21Э I ф.б , где h 21Э – коэффициент передачи тока базы транзистора; Iвых – выходной ток в цепи коллектора; Iф.б – генерированный излучением фототок в базе фототранзистора.
Таким образом, фототранзистор обладает внутренним усилением фототока. Коэффициент передачи тока KI в транзисторных оптопарах достигает десятков единиц.
Выходные ВАХ нелинейные и имеют вид как и у биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Выходной ток зависит от входного (фототока базы) и напряжения между коллектором и эмиттером. Специфическими для транзисторных оптопар являются следующие параметры:
· максимальный выходной ток Iвых. max – ток фототранзистора, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;
· максимальное коммутируемое напряжение на выходе Uком. max;
· время включения tвкл – интервал времени между моментами нарастания входного сигнала до уровня 0,1 и спада выходного напряжения транзисторной оптопары до уровня 0,1 максимального значения;
· время выключения tвыкл – интервал времени между моментами спада входного сигнала до уровня 0,9 и нарастания выходного напряжения транзисторной оптопары до уровня 0,9 максимального значения.
В симисторных оптопарах в качестве приёмного элемента используется кремниевый фотосимистор. При облучении n-базы генерируются пары носителей заряда – электронов и дырок, что приводит к усилению инжекции неосновных носителей из эмиттерных областей, лавинообразному нарастанию тока через структуру и отпиранию симистора. Фотосимистор обладает большим внутренним усилением фототока. Специфическими для симисторных оптопар являются порядка 20 параметров, некоторые из них приведены ниже:
· ток включения Iвкл – постоянный прямой входной ток, который переводит оптопару в открытое состояние при заданном режиме на выходе;
· импульсный ток включения Iвкл. и – амплитуда входного импульсного тока заданной длительности, при которой оптопара переходит в открытое состояние;
· входное напряжение Uвх – постоянное напряжение на входе оптопары при заданном токе включения;
· выходной удерживающий ток Iвых. уд – наименьший выходной ток, при котором симистор ещё находится в открытом состоянии при отсутствии входного тока;
· время включения tвкл – интервал времени между входным импульсом тока на уровне 0,5 и выходным током на уровне 0,9 максимального значения;
· электрическая прочность изоляции Uизол. .между силовой и управляющей цепями.
Основными характеристиками симисторных оптопар являются: входная характеристика I вх = f(U вх), при снятии которой фиксируется момент включения оптопары и выходная ВАХ, которая является нелинейной и симметричной.
В современной электронике оптопары находят применение в схемах преобразования уровней сигналов, схемах согласования датчиков с измерительными блоками, гальванической развязки в линиях связи и гальванической развязки между силовой и управляющей цепями в различных преобразовательных устройствах, коммутирующих большие токи.
Раздел 2. Источники вторичного электропитания
Лекция 3.Классификация преобразователей электрической энергии в электрическую. Неуправляемые выпрямители (АC-DC преобразователи): схемы однофазных и многофазных выпрямителей; основные параметры выпрямителей; (расчет однофазных схем выпрямления. Сглаживающие фильтры.
Управляемые выпрямители; регулировочные характеристики выпрямителей при работе на активную нагрузку. Преобразователи напряжения переменного тока в напряжение переменного тока (циклоконверторы -АС-АС преобразователи. Преобразователи напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока (инверторы -DС-АС преобразователи).
Самостоятельное изучение: однофазный двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки трансформатора; преобразователи напряжения переменного тока в напряжение переменного тока (циклоконверторы -АС-АС преобразователи); сглаживающие фильтры; преобразователи напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока (инверторы -DС-АС преобразователи);стабилизаторы напряжения.
3.3. Классификация преобразователей электрической энергии в электрическую
Примерная классификация преобразователей электрической энергии в электрическую приведена на рис. 3.8.
Рассмотрим работу основных типов преобразователей.
3.4. Преобразователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока -(выпрямители - АС – DC преобразователи).
Выпрямление является процессом преобразования переменного тока в постоянный. В соответствие с рис.3.8. существует два типа выпрямителей: выпрямители, работающие на частоте сети и выпрямители, работающие на высокой частоте. Блок-схемы выпрямительных устройств (ВУ) указанных типов приведены на рис. 3.9. Принятые обозначения:
TV – сетевой трансформатор, В- схема выпрямления, СФ – сглаживающий фильтр,
ИН – инвертор напряжения, работающий на частоте f2 >> f1 , TVВЧ – трансформатор высокочастотный. Трансформатор предназначен для гальванического разделения источника (сети) и нагрузки. Он может быть понижающим или повышающим. Выпрямитель (В) содержит нелинейные элементы (диоды); эта схема может быть простой или сложной,
однофазной или трехфазной. Сглаживающий фильтр (СФ) предназначен для снижения пульсаций на нагрузке.
В зависимости от возможности регулирования напряжения на нагрузке, выпрямители подразделяются на неуправляемые и управляемые.
Рассмотрим основные схемы неуправляемых выпрямителей, работающих от сети.
Неуправляемые выпрямители строятся на базе неуправляемых вентилей (диодов). В таких устройствах величина выпрямленного напряжения является неизменной, а конкретное ее значение определяется параметрами трансформатора и типом схемы выпрямления. Существуют три однофазные и две трехфазные схемы выпрямления. Однофазные схемы: однополупериодный выпрямитель, двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом и однофазный мостовой выпрямитель. Трехфазные схемы: трехфазный выпрямитель с нулевым выводом (схема Миткевича) и трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова).
3.4.1. Однофазные схемы выпрямления
В схеме однофазного однополупериодного выпрямителя (рис.3.10) диод проводит ток только в течение одного полупериода питающего напряжения, когда анод диода находится под положительным потенциалом, а катод - под отрицательным. Временные диаграммы напряжений в схеме выпрямителя приведены на рис. 3.11.
С учетом активного сопротивления вторичной обмотки трансформатора ra, мгновенное значение напряжения на нагрузке будет меньше мгновенного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора u2 . Поэтому амплитудное значение выпрямленного напряжения на нагрузке будет определяться соотношением:
Основными параметрами выпрямителя являются
- среднее значение выпрямленного напряжения UСР (постоянная составляющая)
- действующее (эффективное) значение UЭф напряжения
- период пульсаций выпрямленного напряжения ТП (в данной схеме он равен периоду питающей сети Т);
- частота пульсаций выпрямленного напряжения
где f = 1/T – частота питающей сети, а - число пульсаций выпрямленного напряжения за период питающей сети;
- коэффициент пульсаций выходного напряжения КП (q) , определяемый отношением амплитуды q-й гармонической составляющей к среднему значению напряжения UСР. Коэффициент пульсаций обычно определяется по амплитуде первой (основной) гармонической (q =1):
- обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду Uобр. max . Для рассматриваемой схемы Uобр. max = Um ≈ U2m
В данной схеме выпрямления ток во вторичной обмотке протекает в одном направлении, т.е. является постоянным (по направлению). Это приводит к размагничиванию сердечника трансформатора и, как следствие, к большой типовой мощности трансформатора. Для однофазного однополупериодного выпрямителя типовая мощность ST = 3,09 РНОМ , где РНОМ = UСР*IСР -номинальная мощность выпрямителя.
Из-за низкой эффективности рассмотренной схемы наибольшее применение находят схемы двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом и однофазного мостового выпрямителя (рис. 3.12. а, б соответственно).
В схеме двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (см. рис. 3.12,а) вторичная обмотка силового трансформатора ТV имеет три вывода: два от концов обмотки и третий - от ее середины. То есть эта схема состоит из двух однополупериодных выпрямителей, поочередно работающих на общую нагрузку RH: в положительный полупериод работает диод VD1 от напряжения u21, в отрицательный – диод VD2 от напряжения u22. Ток и напряжение на RH будут пульсирующими и будут иметь одно направление (см. рис. 3.13, б). В схеме однофазного мостового выпрямителя в положительный полупериод напряжения u2 работают диоды VD1 и VD4, в отрицательный – диоды VD2 и VD3. Выпрямленный ток в оба полупериода пульсирует через RH в одном направлении (см. рис. 3.13, б). Вторичная обмотка проводит одинаковый ток в оба полупериода в разных направлениях, следовательно постоянный ток в ней отсутствует, а значит и размагничивание сердечника трансформатора. Частота пульсаций основной гармоники выпрямленного напряжения в рассмотренных схемах составляет fП = f mп = 50 * 2 =
100 Гц, так как число пульсаций выпрямленного тока и напряжения за период сети
mп = 2. Коэффициент пульсаций КП (q) может быть определен по соотношению:
3.4.2. Трехфазные схемы выпрямления - схема с нулевым выводом и трехфазная мостовая схема представлены на рис. 3.14. а, б соответственно.
Трехфазная схема с нулевым выводом (рис. 3.14, а) содержит три диода. Каждый диод проводит ток в течение трети периода (рис. 3.15, б), когда напряжение в его фазе превышает значение напряжений в других фазах. Следовательно, в каждый момент времени к нагрузке приложено фазное напряжение вторичной обмотки. Через каждую фазу вторичной обмотки проходит постоянная составляющая тока, равная IH / 3, поэтому каждый стержень сердечника подвергается вынужденному подмагничиванию. Однако этот поток в трехфазном трансформаторе замыкается по воздуху и оказывается весьма мал. Частота пульсаций основной гармоники выпрямленного напряжения в рассмотренной схеме составляет fП = f mп = 50 * 3 =150 Гц.
Трехфазная мостовая схема (рис. 3.14, б) содержит шесть диодов, объединенных в две группы: анодную (VD1, VD3, VD5) и катодную(VD2, VD4, VD6). В катодной группе проводит ток тот диод, потенциал анода которого превышает потенциалы двух других диодов; в анодной группе оказывается проводящим тот диод, чей потенциал катода неже потенциалов двух других. В любой момент времени ток проводят два диода – один из анодной группы, другой – из катодной. К нагрузке приложено линейное напряжение вторичной обмотки. Угол проводимости диодов составляет одну шестую периода (рис. 3.15, в).
Частота пульсаций основной гармоники выпрямленного напряжения в рассмотренной схеме составляет fП = f mп = 50 * 6 =300 Гц.