6.4. Полупроводниковые тиристоры
Тиристор – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями и тремя или более последовательно включенными p-n переходами. Наиболее распространена структура тиристора с четырьмя чередующимися слоями полупроводников p- и n-типов.
Различают управляемые (триодные) и неуправляемые (диодные) тиристоры.
Рассмотрим несколько подробнее триодный тиристор.
Триодный тиристор называется управляемым. Он имеет три вывода – анодный А, катодный К и вывод управляющего электрода УЭ, который подключается либо к ближайшей к катоду p-области, либо к ближайшей к аноду n-области (катодное и анодное управление).
Тиристор может быть переключен из закрытого состояния в открытое и наоборот. Условное изображение управляемого тиристора и его вольт-амперные характеристики приведены на рис. 57, а, б.
Питающее напряжение подается на тиристор так, чтобы два перехода были открытыми, а один закрытым; сопротивление закрытого перехода достаточно высокое, следовательно, ток тиристора пока мал.
При повышении напряжения Uпр ток тиристора Iпр увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения.
После этого происходит лавинообразное нарастание тока в переходе и напряжение на тиристоре снижается в соответствии ВАХ (рис. 57, б).
Такой «пробой» не вызывает разрушения перехода, сопротивление которого восстанавливается с уменьшением тока.
Важным параметром тиристора является отпирающий ток (напряжение) управления – ток управляющего электрода УЭ, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние. Для запирания тиристора необходимо уменьшить ток практически до нуля.
Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие еще и выпрямительными свойствами, широко применяются в управляемых выпрямителях, преобразователях, инверторах, коммутационной аппаратуре.
Номинальные значения токов у некоторых типов тиристоров в открытом состоянии достигают 5000 А, а номинальные значения напряжений в закрытом состоянии – до 5000 В.
7. Схемы выпрямления и усиления электрических сигналов, построенные на полупроводниковых приборах
7.1. Выпрямительные устройства
Выпрямительные устройства могут быть управляемые и неуправляемые. Первые построены на тиристорах, вторые – на полупроводниковых диодах.
По числу фаз источника различают однофазные и многофазные (чаще трехфазные) выпрямительные устройства, по схемотехническому решению – с выводом нулевой точки трансформатора и мостовые.
Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки, отображения информации и т. д.
При относительно небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) задачу преобразования электрической энергии переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в постоянный решают с помощью однофазных выпрямителей.
7.1.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель
В общем случае структурная схема выпрямителя содержит трансформатор, выпрямительные диоды, сглаживающий фильтр и стабилизатор выпрямленного напряжения. Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение приемника при изменении напряжения сети.
Отдельные узлы могут отсутствовать, это зависит от назначения выпрямителя.
Схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 58, а, временная диаграмма выпрямленного напряжения и тока – на рис. 58, б.
Выпрямитель состоит из трансформатора (Т), к вторичной обмотке которого последовательно подключены диод (VD) и нагрузочный резистор (Rн).
В первый полупериод, т. е. в интервале времени (0 – T/2), диод открыт, так как потенциал точки «а» выше потенциала точки «б», и под действием напряжения в цепи вторичной обмотки трансформатора возникает ток iн .
Во второй полупериод, т. е. в интервале времени (T/2 – T), диод закрыт, ток в нагрузочном резисторе отсутствует и к запертому диоду прикладывается обратное напряжение.
Средние значения выпрямленных тока и напряжения малы, а коэффициент пульсации достаточно высок (Кп = 1,57), поэтому они применяются в основном для питания высокоомных нагрузочных устройств небольшой мощности (например, электонно-лучевых трубок).