Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ФОЭ пособие.pdf
Скачиваний:
72
Добавлен:
11.02.2015
Размер:
1.93 Mб
Скачать

перехода, поперечное по отношению к каналу, будет изменятся в точном соответствии с изменением входного сигнала, расширяя и сужая канал.

В цепи стока появляется переменная составляющая тока, которая и будет представлять собой усиленный входной сигнал.

Так же, как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут иметь три схемы включения: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Схема включения определяется тем, какой из трех электродов транзистора общим и для входной и выходной цепи. Очевидно, что рассмотренный нами пример, является схемой с общим истоком. На рис 97 (а) представлена схема с общим затвором, а на рис 97 (б) – схема с общим стоком.

Схема с общим затвором аналогична схеме с общей базой у биполярных транзисторов. Она не дает усиления по току, а входное сопротивление здесь маленькое, так как входным током является ток стока.

Схема с общим стоком подобна схеме эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе и ее называют истоковым повторителем. У нее коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Выходное напряжение по величине и фазе повторяет входное. В этой схеме очень высокое входное напряжение и малое выходное.

Основные характеристики полевых транзисторов.

1.Управляющие (стокозатворные) характеристики. (рис 98).

Эти характеристики показывают управляющее действие затвора и представляют собой зависимость тока стока в функции от напряжения на затворе (Uз) при постоянстве напряжения стока (Uc):

Ic = f () Uc =const

ИС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

З

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

З

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- +

 

 

-

 

 

+

 

+

 

-

-

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E1

 

 

 

 

 

 

 

 

E2

E1

 

 

 

 

 

 

E2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

Рис.97

 

 

 

 

 

 

б)

89

 

 

ic

Ic

U3

 

 

U31

 

 

 

 

 

 

Uc2

>Uc1

 

U32

 

 

U33

 

 

 

 

 

-Uз

U c1

 

U34

0

 

U35

 

Uз отс

 

 

Uc

 

 

Рис.98

 

Рис.99

2. Выходные (стоковые) характеристики.

Семейство этих характеристик представляет собой зависимость

тока стока Ic от напряжения стока Uc при неизменном напряжении на затворе Uз:

Ic = f (U C ) U 3 =const .

Вид этих характеристик представлен на рис 99. С увеличением Uc ток сначала растет довольно быстро, но затем его рост замедляется и наступает явление, напоминающее насыщение, хотя с ростом Uc ток стока так же должен возрастать. Это объясняется тем, что с ростом Uc возрастает обратное напряжение на p-n-переходе и увеличивается ширина запирающего слоя, а ширина канала соответственно уменьшается. Это приводит к увеличению его сопротивления и уменьшению тока Iс. Таким образом, происходит два взаимно противоположных влияния на ток, в результате чего он остается почти неизменным. Чем больше запирающее напряжение подается на затвор, тем ниже идет выходная характеристика.

Основные параметры полевых транзисторов.

1.Крутизна

S =

Ic

 

Uc = const ,

(108 )

где: Ic – приращение тока стока;

Uз – приращение напряжения на затворе; Uc – напряжение стока.

Этот параметр определяют по стоко-затворным характеристикам (рис 98) 2.Внутреннее (выходное) сопротивление Ri

90

Ri =

Uc

 

U = constз

,

(109)

 

Ic

 

 

 

 

 

 

где: Uc – приращение напряжения стока; Ic – приращение тока стока;

Uз – напряжение на затворе.

Этот параметр определяют по выходным характеристикам транзистора

(рис.99).

3. Коэффициент усиления μ

μ =

Uc

 

I = constс

,

 

 

 

 

 

 

Эти три параметра связаны между собой зависимостью:

μ= S Ri ,

4.Входное сопротивление Rвх.

Rвх =

 

U = constс

,

 

 

 

 

 

 

где: Uз – приращение напряжения на затворе; Ic – приращение тока затвора;

Uз – напряжение стока.

(110)

(111)

(112)

Поскольку током затвора является обратный ток p-n-перехода, который очень мал, то входное сопротивление оказывается очень большим, что является основным достоинством полевого транзистора.

Еще одним важным достоинством полевого транзистора является гораздо меньшая температурная зависимость по сравнению с биполярными транзисторами.Недостатком полевых транзисторов является недостаточно высокая крутизна S ,что несколько ограничивает область их применения.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевые транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов:

1.Со встроенным (собственным) каналом.

2.С индуцированным (инверсионным) каналом.

Устройство полевого транзистора с

Рис.100

 

 

91

Ic

U32

> 0

Режим обогащения

 

U31

> 0

 

U3

= 0

Режим обеднения

U31 < 0

 

U 32

< 0

 

Uc

Рис.101

изолированным затвором и встроенным каналом показано на рис 100. Он представляет собой монокристалл полупроводника; обычно кремния, где создана электропроводность какого-либо типа, в рассматриваемом случае p- типа. В нем созданы две области с электропроводностью противоположного типа (в нашем случае n-типа), которые соединены между собой тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон делаются электрические выводы, которые называют истоком (И) и стоком (С). На поверхности канала имеется слой диэлектрика (обычно двуокиси кремния SiO2) , а на нем методом напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод. Это-затвор(З). Иногда от основания также делается вывод,который накоротко соединяют с истоком.

Если в отсутствии напряжения на затворе приложить между истоком и стоком напряжение любой полярности, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через основание ток не потечет, так как один из p-n-переходов будет находится под обратным напряжением.

При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, а, следовательно, и основания, в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области канала в основание. Канал обедняется основными носителями -- электронами, его сопротивление увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения.

При подаче на затвор положительного напряжения, относительно истока, направление поперечного электрического поля изменится на противоположное и оно будет, наоборот, притягивать электроны из областей истока и стока, а также из области основания. Проводимость канала увеличивается и ток стока возрастает. Такой режим называется режимом обогащения.

Выходные (стоковые) характеристики такого транзистора представлены на рис 101.

92

Рис.102

Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом.

Устройство такого транзистора показано на рис 102.

От предыдущего транзистора он отличается тем,что у него нет встроенного канала между областями истока и стока. При отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, так как один из p-n-переходов будет обязательно заперт. Если подать на затвор напряжение положительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока,

а также из областей основания, будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и больше ток стока.

Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных (стоковых) характеристик показан на рис

103.

Если в основании взять полупроводник n-типа, то области истока и стока

Ic

U 33

Режим

U 32

обогащения

U 31

 

U 3 пор

Uc

Рис 103.

должны быть p-типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и

93

канал, если на затвор подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Так как структура в обоих типах полевых транзисторов с изолированным затвором одинакова: металл-окисел-полупроводник, то такие транзисторы еще называют МОП-транзисторами (метал-окисел-полупроводник) или МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник). Поскольку металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, то входное сопротивление таких транзисторов огромное.

З

З

И

С

И

С

 

а)

 

б)

Рис.104

Графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис 104 а и б.

ГЛАВА IV. Тиристоры и динисторы.

 

 

 

 

 

 

Рис.105

Рис.106

Тиристором называется полупроводниковый прибор с четырех слойной структурой p-n-p-n (рис 105).

Это монокристалл полупроводника, обычно кремния, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости p-n-p-n.На

94

Рис.107

границах раздела этих областей возникнут p-n-переходы: верхний, средний, нижний. От верхней области p и от нижней области n сделаны электрические выводы, которые называют анодом (А) и катодом (К). От одной из промежуточных областей (на- пример,p-области) сделан еще один вывод, который называется управ-

ляющим электродом. Если подклю-

чить внешний источник так, как показано на рис 105, то получим, что верхний и нижний p-n-переходы будут смещены внешним источником в прямом направлении, а средний p-

n-переход окажется смещенным в обратном направлении и во внешней цепи будет протекать только исчезающе маленький обратный ток среднего перехода. Подключим другой внешний источник Eу (источник управления) между катодом и управляющим электродом. Тогда ток управления, протекающий под действием источника управления при определенной своей величине может привести к лавинообразному нарастанию тока в полупроводниковой структуре до тех пор, пока он не будет ограничен резистором R в цепи источника питания E. Произойдет процесс включения тиристора.Для рассмот-

рения этого явления представим тиристор (рис 106)

в виде

двух,объединенных в одну схему транзисторов T1 и T2 (рис 107),

типа n-

p-n (T1) и p-n-p (T2).

 

Оба транзистора включены по схеме с общим эмиттером (рис 108). При создании разности потенциалов между анодом (А) и катодом (К) в прямом направлении (+ на аноде,- на катоде) оба транзистора будут закрыты,так как базовые токи их будут отсутствовать. При подключении источника управления Еу во входной цепи транзистора T1 потечет базовый ток, являющейся

A током управления тиристора Iу. Под действием этого тока в коллекторной цепи этого транзи-

 

 

T2

стора потечет ток Ik1 = β1 ,где β1 -

коэффи-

 

 

 

 

Iк2

Ik1

циент передачи по току транзистора

T1. Но

 

этот ток Ik1 протекает по цепи “эмиттер-база”

 

 

 

+

 

T1

транзистора T2 и является его входным, базо-

 

 

вым током 2 = 1 .Под воздействием этого то-

Ey

Iy

 

 

ка 2 в выходной коллекторной цепи транзи-

 

K

-

 

 

Рис.108

стора T2

 

 

 

потечет коллекторный ток

 

 

 

 

 

 

 

Ik2 = β2 2

= β2 1 = β2 β1 Iy .

(113)

 

 

 

 

95

Т.е коллекторный ток 2 является усиленным в β2 β1 током управления Iу,

ипротекает ток Ik2 опять по базовой цепи транзистора Т1, там где протекает

иток Iу. Поскольку Ik2 оказывается значительно больше тока Iу,процесс вза-

имного усиления транзисторами токов продолжается до тех пор,пока оба транзистора не войдут в режим насыщения,что соответствует включению тиристора.Описанный процесс является процессом внутренней положительной обратной связи,под действием которой и происходит лавинообразное нарастание тока в цепи тиристора.

После того, как тиристор включился, он сам себя поддерживает в открытом состоянии, так как при условии Ik2 >внутренняя обратная связь остается положительной, и в этом случае источник управления уже оказывается ненужным. С учетом (113) это условие записывается β2 β1 Iy >(114).

Отсюда условие включения тиристора:

 

β1 β2 >1 .

(115)

Для того,чтобы выключить тиристор необходимо прервать ток,протекающий в его силовой цепи на короткий промежуток времени,достаточный для рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника и восстановления

Ia

iуспр

iy2 >i y1 i

>0

iy1=0

 

I

y1

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

I

 

 

U a k

U

пер2 U пер1

 

U пер

 

 

Рис.109

управляющих свойств. Чтобы снова включить тиристор необходимо снова пропустить в его цепи управления ток Iу, чтобы снова запустить процесс внутренней положительной обратной связи. Таким образом, тиристор представляет собой бесконтактный ключ, который может быть только в двух ус-

96

тойчивых состояниях: либо в выключенном, либо во включенном. Вольтамперная характеристика тиристора представлена на рис (109).Прямая ветвь ее имеет три явно выраженных участка. Первый участок (I) представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики среднего p-n- перехода. Участок II является участком с отрицательным динамическим сопротивлением, а участок III является прямой ветвью вольтамперной характеристики p-n- перехода. Напряжение между анодом и катодом, при котором происходит переход тиристора в проводящее состояние, называют напряжением переключения. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение переключения Uпер. Ток управления, при котором тиристор переходит на спрямленный участок вольтамперной характеристики (показано на рис (109) пунктиром)

называют током управления спрямления (iуспр).

При изменении полярности приложенного к тиристору напряжения, верхний и нижний p-n-переходы будут смещены в обратном направлении, тиристор будет закрыт, а вольтамперная характеристика будет представлять собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обыкновенного диода.

Поскольку включение тиристора зависит от тока управления, то в справочной литературе приводят также диаграмму вольтамперной характеристики управляющей цепи:

 

 

 

1

 

 

 

iу = f (U у )

 

 

 

Uy

 

 

Семейство таких характеристик пред-

Uyдоп

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

ставлено на рис 110. Обычно в справоч-

 

 

 

 

 

 

никах приводятся предельные характе-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

ристики (1 и 2).Кривая 1 соответствует

 

 

 

 

 

 

2

прибору с максимальным сопротивлени-

Uymin

 

 

 

 

 

ем цепи управления и при максимально

 

 

 

 

 

допустимой температуре. Кривая 2 –

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прибору с минимальным сопротивлени-

 

 

 

 

 

 

 

ем управляющей цепи и при минималь-

 

 

 

 

 

 

 

ной температуре.Сверху и

справа диа-

 

 

 

Iymin

 

 

 

 

 

I

Iy

грамма

ограничивается

прямы-

 

 

 

Рис.110

 

 

 

 

yдоп

ми,соответствующими предельно допус-

 

 

 

 

 

тимым значениям тока и напряжения в цепи управления. Внизу

диаграммы

указывается область, которая ограничена минимальными значениями тока и напряжения, необходимыми для отпирания тиристоров данного типа. Кроме того, на диаграмме обычно приводятся кривые допустимой мощности на управляющем электроде для различных значений длительности управляющих импульсов (кривые 3 и 4).

Таким образом, тиристор представляет собой частично управляемый вентиль, который можно перевести в проводящее состояние при наличии од-

97

новременно двух факторов: положительный потенциал анода относительно катода; подача управляющего сигнала в виде тока управления в цепи управляющего электрода. Если хотя бы один из этих факторов отсутствует, то тиристор будет оставаться в закрытом состоянии.

Частичная управляемость тиристора заключается в том, что после включения тиристора, цепь управления становится ненужной, так как он сам себя поддерживает во включенном состоянии. Выключить обычный тиристор по цепи управления невозможно, что требует применения дополнительных устройств, обеспечивающих его выключение, так называемых коммути-

рующих устройств.

Основные параметры тиристоров.

Силовые тиристоры характеризуются параметрами, аналогичным тем, которые рассматривались выше для силовых диодов. Но, кроме того, в технических условиях приводятся параметры цепи управления тиристоров, а также дополнительные параметры, характеризующие силовую цепь тиристора:

1.Время включения (tвкл). Это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения напряжения Uак тиристора до 10% начального значения при работе на активную нагрузку.

2.Время выключения (tвыкл), называемое также временем восстановления управляющей способности тиристора. Это время от момента, когда прямой ток тиристора становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать прямое напряжение между анодом и катодом. Это время в основном определяется временем рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника.

3.Ток утечки (Iут). Это ток,протекающий через тиристор с разомкнутой цепью управления при прямом напряжении между анодом и катодом.

4.Ток удержания (Iуд). Это минимальный прямой ток,проходящий через тиристор при разомкнутой цепи управления,при котором тиристор еще находится в открытом состоянии.

На принципиальных схемах тиристоры обозначаются символами:

 

Анод

А

 

 

У.Э

Управляющий

Катод

К

электрод

 

 

98

Способы запирания тиристоров.

Как уже было показано выше, после включения тиристора он сам себя поддерживает во включенном состоянии за счет внутренней положительной обратной связи, а цепь управления становится неэффективной. Для выключения тиристора нужно каким-либо способом снизить его прямой ток до нуля на некоторый промежуток времени, определенный временем рассасывания неосновных носителей. Это в основном и отличает тиристор-прибор с частичной, неполной управляемостью от, например, транзистора-полностью управляемого прибора, который можно и включить и выключить по цепи управления (базовой цепи).

Выключение проводящего ток тиристора можно осуществлять различными способами. Проще всего выключать тиристор, если он работает в цепи переменного тока. Тогда под действием переменного напряжения питающей сети ток тиристора сам снижается до нуля и происходит его выключение (коммутация). Такой способ коммутации получил название естественной и широко применяется в силовых преобразовательных устройствах переменного тока. Сложнее обстоит дело в цепях постоянного тока.

Там необходимы специальные устройства, обеспечивающие принудительное выключение тиристора в нужный момент времени. Такие устройства называют “узлами принудительной коммутации” или просто “коммутацион-

ными узлами”. В основе построения коммутационных узлов лежат следующие способы:

T

Rc

Rc

L

C

T

R C

L

 

а)

б)

 

Рис.111

1.Создание искусственных колебаний тока в цепи тиристора,

например, введением в его цепь колебательных L-C контуров (последовательных или параллельных) (рис 111 а, б).

99

Рис.113
Рис.112

Тиристор закрывается в момент перехода через ноль тока в колебательном контуре.

2.Выключение тиристора путем изменения полярности напряжения между катодом и анодом.

 

K

 

I

 

-

T

+ C

Ra

Для этого используют предварительно заряженный конденсатор С, который в нужный момент времени подключают между анодом и катодом тиристора в запирающей полярности (рис 112) путем замыкания ключа К.

Существует большое количество схем различных коммутационных узлов, использующих данный способ запирания тиристоров.

3.Запирание тиристора путем введения в его цепь противо Э.Д.С., под действием которой прямой ток тиристора снизится до нуля (рис

T 113).

 

+

Это можно осуществить при помощи генера-

 

тора импульсов ГИ, подключаемого через

ГИ

Тр

трансформатор Тр в силовую цепь тиристора.

 

 

-

В нужный момент времени генератор форми-

 

рует импульс напряжения, который наводит

 

 

во вторичной обмотке трансформатора импульс с полярностью, встречной по отношению к тиристору, что приведет к снижению

прямого тока тиристора до нуля.

+

-

ля.

_

ЕК

+

Т

4.Подключение параллельно тиристору источ-

 

ника коммутирующей Э.Д.С. (рис 114).

Выключение тиристора осуществляется замыканием в нужный момент времени ключа К на ко- RН роткий промежуток времени, определяемый

Квременем рассасывания неосновных носителей в

зонах полупроводника.

Рис.114

Описанными способами удается придать тиристору свойства полностью управляемого венти-

100

В настоящее время разработаны новые типы тиристоров, так называе-

мые, двухоперационные тиристоры или запираемые тиристоры.Они явля-

ются полностью управляемыми полупроводниковыми приборами,которые можно и включить и выключить по цепи управления.Однако ток управления,необходимый для выключения такого тиристора, оказывается соизмеримым с его прямым током,что требует мощного источника напряжения управления и ограничивает, таким образом область их применения. На принципиальных схемах запираемые тиристоры обозначаются символами:

 

 

 

а)

 

 

б)

 

 

а) С выводом управляющего электрода от р-зоны.

 

 

б) С выводом управляющего электрода от n-зоны.

 

 

 

Широкое применение в цепях переменного тока получили так назы-

 

 

 

 

 

 

ваемые симисторы

(симметричные

 

 

 

 

У.Э.

 

тиристоры),

которые выполняются

 

1

2

3

 

 

на основе многослойной полупро-

 

n1

 

 

 

-

водниковой структуры (рис 115).

+

 

n2

p2

Основой в симисторе является мо-

(-)

p1

 

 

 

нокристалл полупроводника, в кото-

 

 

n3

(+)

ром созданы, пять областей с чере-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дующимся типом проводимости, ко-

 

 

Рис.115

4

 

торые образуют четыре p-n-

 

 

 

перехода. Контакты от крайних об-

 

 

 

 

 

 

ластей наполовину шунтируют пер-

вый и четвертый p-n-переходы. При полярности внешнего источника напря-

жения, указанной без скобок, переход 1 окажется включенным в обратном

направлении и ток через него будет исчезающе мал. Весь ток через полупро-

 

T1

 

 

водниковую структуру при такой полярности источ-

 

 

 

ника будет протекать через область P1 .Четвертый пе-

 

 

 

 

 

 

 

 

реход будет включен в прямом направлении и через

 

 

 

T2

него будет проходить инжекция электронов. Значит

 

 

 

при данной полярности источника рабочая структура

 

 

 

 

 

 

 

 

симистора

представляет

собой

p1 n2 p2 n3

 

 

 

 

структуру, аналогичную структуре обычного тиристо-

 

Рис.116

 

 

ра, работа которого уже была рассмотрена выше. При

 

 

 

 

смене

полярности на противоположную (указана в

 

 

 

 

 

 

 

 

101

скобках) уже будет закрыт переход 4,а переход 1 будет открыт.

Структура симистора становится n1 p1 n2

p2 , то есть опять ана-

логична структуре обычного тиристора, но направленного в противополож-

ную сторону. Таким образом, в схемном отношении симистор можно пред-

ставить в виде двух встречно-параллельных тиристоров (рис 116).

Симистор имеет вольтамперную характеристику, симметричную отно-

сительно начала координат (рис 117),что и нашло отражении в его названии.

IA

 

-UПЕР

 

iyспр

+UПЕР

iу1

 

Рис.117

 

На принципиальных схемах симистор обозначается символом:

Динисторы.

Динисторы представляют собой полупроводниковый переключающий прибор, по принципу действия аналогичный тиристору,но имеющий всего

102

два вывода: анода и катода. Вольтамперная характеристика динистора аналогична вольтамперной характеристике тиристора при i у = 0 (рис. 118).

i

UAK

UПЕР

Рис.118

Напряжение переключения динистора постоянно и указывается в его паспортных данных.

Применение силовых транзисторов и тиристоров.

Силовые тиристоры и транзисторы получили широкое применение в различных областях силовой электроники благодаря своим управляющим свойствам.

В первую очередь это касается устройств преобразовательной техники таких, как управляемые выпрямители, преобразователи частоты. Рассмотрим наиболее характерные примеры их применения.

1.Управляемые выпрямители.

Простейшей схемой управляемого выпрямителя является однофазная однополупериодная схема (рис 119 a). Эта схема идентична схеме рис 39. c той лишь разницей,что вместо неуправляемого силового вентиля В здесь используется тиристор – прибор с частичной управляемостью.

На интервале (0 ÷π) полярность Э.Д.C. e2 = 2E2 sinθ на вторичной обмотке трансформатора такая, как показана на рис 119 б.

103

По отношению к тиристору T это прямая полярность, но в отличии от обычного диода тиристор может включиться только при подаче на его управляющий электрод сигнала управления от управляющего устройства – системы управления (СУ). До поступлении сигнала тиристор будет находится в закрытом состоянии и тока пропускать не будет,несмотря на то,что к его аноду приложен положительный потенциал относительно катода. Пусть сиг-

 

Т

e2

 

 

 

 

 

 

Тр

СУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

б)

 

 

α

θ1

π

θ

 

+

2π

 

 

Rд

 

 

 

 

 

U1

е2

 

 

 

 

 

Id

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

в)

 

 

 

 

 

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

U d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

г)

 

Рис.119

 

 

 

Ed

 

 

 

 

 

 

 

нал управления поступит от системы управления на тиристор в точке θ1 , со сдвигом на угол α относительно начала координат, и начнет проводить ток нагрузки (рис 119 в)

id

=

e2 =

2E2 sin θ

(116)

 

 

Rd

Rd

 

Падение напряжения на нагрузке при этом:

Ud =id Rd = 2 sinθ

(117 )

В точке π полярность e2 изменится на противоположную и тиристор закроется (естественная коммутация), так как по отношению к нему эта полярность будет обратной, запирающей. На интервале (π÷2π) тиристор открываться не может.В точке 2π полярность снова станет прямой но по отношению к тиристору,но он откроется только в точке (2π+α ),когда снова поступит сигнал управления и т.д.

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке (выпрямленного напряжения) найдем, как

104

Ed =

1

π

2E2 sinθdθ =

2E2

(1+cosα);

(118)

 

2π

α

 

2π

 

 

Если менять угол α в пределах от 0 до π, то получим:

Ed max = Ed

= 2

 

2E2

= 0.45E2

 

α =0

 

2π

 

 

 

 

 

Ed min

= Ed

 

α=π

= 0 .

 

То есть меняя угол α от 0 до π,изменяем постоянную составляющую выпрямленного напряжения в пределах от Ed max = 0.45E2 до 0.

Угол α называется углом управления.

По этому же принципу осуществляется регулирование выпрямленного напряжения во всех других рассмотренных ранее схемах выпрямления, если вместо обычных силовых диодов у них использовать управляемые вентилитиристоры.

Зависимые инверторы.

На управляемых вентилях можно построить устройства, которые невозможно сделать на обычных неуправляемых диодах, например, инвертор-

ные устройства.

Инвертор-это устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию переменного тока, т.е. выполняющее функции, обратные функциям выпрямителя. Рассмотрим схему, представленную на рис 120 а.

В точке θ = 0 полярность Э.Д.С. e2a и e2b на вторичной обмотке

трансформатора указана на рис 120 а. В схему включен источник постоянного тока E0 , энергию которого нужно преобразовать в энергию переменного

тока.

Пусть в точке θ = 0 система управления СУ включает тиристор T2. Тогда в цепи источника E0 потечет ток через нижнюю половину вторичной об-

мотки трансформатора, преодолевая при этом противо Э.Д.С. этой полуобмотки e2в . Тиристор T1 в это время должен быть надежно закрыт, так как в его цепи Э.Д.С источника Е0 , и Э.Д.С e2а включены согласно и, если тиристор T1 открыть, то произойдет короткое замыкание этих двух

105

Тр

Т1

 

 

e2b

 

 

 

 

e2a β

β

 

+

 

 

 

 

 

 

e2a

 

 

 

 

 

-

L

+ -

 

π

2π

θ 0

U1

 

Е0

СУ

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

e2b

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

Т2

 

 

 

 

 

 

а)

 

б)

 

 

 

 

 

 

Рис.120

 

 

 

последовательно и согласно включенных Э.Д.С..И лишь в точке (π β ) ко-

гда Э.Д.C. e2а уже мала, система управления включает тиристор T1 . Ток источника Е0 , стремясь пойти по пути наименьшего сопротивления, перейдет из цепи тиристора T2 в цепь тиристора T1 , где не только нет противо Э.Д.С, но даже есть согласно включенная Э.Д.С e2а . А тиристор T2 закроется,так как ток в нем станет равным нулю. Перевести ток с тиристора T2 необходи-

мо на тиристор T1 , так как в точке π полярность Э.Д.С. e2в меняет свой знак на противоположный и вместо противоЭ.Д.С. станет уже согласно включенной по отношению к источнику E0 и, если до точки π не выключить тири-

стор T2 , то, начиная с точки π в этой цепи начнется короткое замыкание двух Э.Д.С.,которое приведет к аварийному режиму, называемому опрокидыванием инвертора. Теперь же, когда открылся тиристор T1 , ток перешел в цепь верхней полуобмотки трансформатора, но в точке π меняется знак

Э.Д.С. e2a и из согласно включенной Э.Д.С. она становится противо Э.Д.С. для источника E0 и ток будет протекать по верхней полуобмотке, преодоле-

вая противоЭ.Д.С. e2a .Поток энергии на интервалах, где ток источника E0 преодолевает противоЭ.Д.С. вторичной обмотки трансформатора, направлен из источника постоянного тока E0 в сеть переменного тока, то есть имеет место процесс инвертирования энергии. Среднее значение противоЭ.Д.С.

106

преодолеваемой источником питания E0 за период повторяемости составляет (рис 120 б):

 

1 2π β

 

2E

 

 

Edβ =

π π β

2E2 sinθdθ = −

2π

2 cosθ .

(119)

Такой инвертор называется зависимым или ведомым сетью, так как все его параметры (напряжение, ток, частота) зависят от параметров сети переменного тока. По этому же принципу можно построить зависимый инвертор на основе мостовой однофазной схемы, трехфазной нулевой, трехфазной мостовой и т.д.

Автономные инверторы.

В отличии от зависимых инверторов, которые не могут работать без сети переменного тока, автономные инверторы могут работать независимо, автономно. Простейшая схема автономного инвертора изображена на рис

121. Она представляет собой мост,выполненный на ключах K1 , K2 , K3 , K 4 , в

одну диагональ которого включена нагрузка Zн ,а в другую – источник пи-

тания U пит .В точке θ = 0 замкнем ключи K1 и K3 , при этом напряжение ис-

точника питания окажется приложенным к нагрузке полярностью, указанной на рис 121 а, без скобок. Через половину периода, в точке θ1 , разомкнем

ключи K1 и K3, и замкнем ключи K2 и K4 , при этом источник питания окажется подключенным к нагрузке противоположной полярностью (указана в

+

К1

 

 

 

 

U

 

 

 

ZH-

 

К2

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

0

K3-K2

Θ1 Θ2

Θ

Uпит

а

 

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(-)

(+)

 

К3

 

K2-K4

 

 

К4

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

б)

 

Рис.121

скобках). Таким образом, замыкая и размыкая ключи обеих диагоналей моста

107

через равные промежутки времени, получим в нагрузке переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой, равной напряжению источника питания и с частотой, определяемой частотой переключения ключей. В качестве ключей обычно используют бесконтактные ключи: либо тиристоры, либо транзисторы. Рассмотрим эту же схему инвертора, выполненную на тиристорах (рис 122 a).

В цепь источника питания здесь вводится индуктивность Ld , которая

придает ему свойства источника тока (ток I d постоянный по величине и во времени; независиый от нагрузки) а в цепь нагрузки вводится конденсатор Ck , емкость которого должна быть достаточной для создания результирую-

 

L>d

 

 

 

 

iн

 

iн

 

U H

 

+

 

 

 

CK

 

 

UH

 

 

Id

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

-

К2

 

β

Id

 

 

β

 

 

 

 

 

 

θ2

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uпит

а

 

 

 

в

0

 

 

 

1

 

 

(-)

 

(+)

 

 

θ

 

 

 

ZH

 

 

 

1

 

 

 

T4

 

К3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

б)

 

Рис.122

щего емкостного характера в цепи нагрузки. Это необходимо, так как в цепи нагрузки ток I d должен менять свое направление, оставаясь неизменным по величине, а это возможно только в электрической цепи с емкостным характером. Одновременно конденсатор Ck осуществляет функцию коммутации тиристоров. Работа этой схемы происходит следующим образом.

В точке θ = 0 система управления, которая обязательно должна присутствовать в любом управляемом вентильном преобразователе, подает сиг-

нал управления на тиристоры T1 и T3 . Тиристоры открываются и через них по цепи нагрузки начнет протекать ток I d от точки а к точке b.

108

При этом часть этого тока идет на заряд конденсатора Ck , а другая часть – в нагруку Zн . В точке Q1 система управления в дополнение к отры-

тым тиристорам T1 и T3 открывает тиристоры T2 и T4 и в течение короткого промежутка времени будут открыты все четыре тиристора. Но как только от-

кроется тиристор T4 положительный потенциал заряженного конденсатора оказывается приложенным через этот тиристор к катоду ранее открытого тиристора T3 , а к аноду этого тиристора приложен отрицательный потенциал

конденсатора Cк . Поэтому тиристор T3 закрывается в точке θ1 . По этой же

причине закроется тиристор T1 , так как (+) конденсатора Cк приложен к его катоду, а (-) через открытый тиристор T2 - к его аноду. Таким образом, на ин-

тервале θ1 ÷θ2 работают тиристоры T2 и T4 ,ток в цепи нагрузки I d на-

правлен от точки b к точке а, а конденсатор Cк перезаряжается до напряже-

ния противоположной полярности (указана в скобках). В точке θ2 все процессы повторяются.

Ток в цепи нагрузки имеет прямоугольную форму , а напряжение нагрузки будет изменяться так, как напряжение на конденсаторе CК (Рис. 122 б). Поскольку цепь нагрузки имеет ёмкостной характер, то ток нагрузки опережает напряжение по фазе на угол β, который называют углом опережения. Отметим, что рассмотренная схема автономного инвертора представляет собой инвертор тока, так как источник питания обладает свойствами источника тока. Поскольку конденсатор СК здесь включается параллельно нагрузке, то эта схема инвертора называется параллельным инвертором тока. Если конденсатор СК вводится в цепь нагрузки последовательно с ней, то такой инвертор называется последовательным инвертором тока.

Принципиально источник питания может обладать в большей степени свойствами источника напряжения. Тогда напряжение такого источника будет постоянным и не зависеть от нагрузки . А сам инвертор в этом случае называется инвертором напряжения.

Рассмотрим пример такого инвертора, выполненного на транзисторах (Рис. 123 a). Здесь в цепь источника питания вводится конденсатор С для придания ему свойств источника напряжения.

В точке Θ=0 система управления включает транзисторы Т1 и Т3 и по нагрузке начинает протекать ток от точки а к точке б. поскольку нагрузка инверторов чаще всего имеет активноиндуктивный характер (обмотки электродвигателей, трансформаторы и т.д.) то ток нагрузки после включения транзисторов изменяется по экспоненте и за половину периода, в точке Θ, достигнет величины IHmax; при этом в магнитном поле индуктивности нагрузки накапливается энергия. В точке Θ=Θ1 система управления закрывает тран-

109

зисторы Т1 и Т3, одновременно открывая транзисторы Т2 и Т4, но ток нагрузки продолжает попрежнему протекать в том же направлении от точки а к точке б, под действием Э.Д.С. которая возникает в индуктивности нагрузки при запирании транзисторов Т1 и Т3 за счёт энергии, накопленной в её магнитном поле за время протекания тока на интервале от 0 до Θ1.Полярность этой Э.Д.С. показана на (Рис. 123 а) без скобок. Именно она препятствует протеканию тока нагрузки в противоположном направлении (от точки б к точке а), хотя транзисторы Т2 и Т4 открыты, начиная с момента Θ1 . Ток нагрузки же, начиная с момента Θ1, протекая под действием Э.Д.С. самоиндукции, замыкается через вентиль В2, источник питания, преодолевая его противо Э.Д.С., и вентиль В4. При этом энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности нагрузки, возвращается в источник питания (реактивная энергия). Этот контур будет существовать до тех пор, пока вся накопленная энергия не будет сброшена в источник питания, вплоть до момента Θ2. Ток в этом контуре называют обратным током, а вентили В1234 называют обратными вентилями. В момент Θ= Θ2, вентили В1 и В3 закрываются, и только тогда под действием напряжения источника питания UПИТ ток в цепи нагрузки начнёт возрастать в противоположном направлении от точки б к точке а. В индуктивности нагрузки снова накапливается энергия, и, когда в момент Θ3 система управления закроет транзисторы Т2 и Т4 и откроет Т1 и Т3, Э.Д.С. самоиндукции, но уже противоположной полярности, обусловит протекание обратного тока через вентиль В1, через источник питания и через вентиль В3. Реактивная энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности нагрузки

 

 

опять

сбрасывается в

 

 

источник питания. Да-

 

 

лее процесс повторяет-

 

 

ся. Как видно из (Рис.

 

 

123 б), форма напря-

(+)

(-)

жения на нагрузке UH

здесь будет иметь пря-

 

 

 

 

моугольную

форму, а

 

 

ток iH представляет со-

 

 

бой отрезки экспонент,

 

 

причём вследствие ин-

 

 

дуктивного

характера

 

 

нагрузки, ток

отстаёт

 

 

по фазе от напряжения

 

 

на угол φ. Выходная

 

 

частота

инвертора

 

 

полностью

определя-

 

 

ется

частотой

пере-

 

 

ключения

транзисто-

 

 

Рис. 123

 

ров,

т.е.

системой

110