Введение в электронику. Учебное пособие

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Рассмотрим процессы включения и выключения тиристора по эквивалентной схеме рисунке 2.41, в, иллюстрирующей процессы его включения и выключения на примере широко распространенных биполярных транзисторов. В начальном (выключенном) состоянии тиристора транзисторы VT1 и VT2 заперты и токи, протекающие через них, равны нулю. Когда на УЭ поступает импульс тока iупр, являющийся током базы iб2 транзистора VT2, то последний включается. Появляется его ток коллектора iк2 = iб1. Это вызывает открывание транзистора VT1 и его ток коллектораiк1 = iб2 поддерживает транзистор VT2 во включенном состоянии независимо от наличия или отсутствия импульса тока iупр. Таким образом, подача импульса тока iупр вызывает появление регенеративного процесса открывания обоих транзисторов эквивалентной схемы рисунка 2,41, в и обусловливает лавинообразное и необратимое включение тиристора, после чего управляющий электрод теряет свои управляющие свойства. На рисунке 2.42, а, б приведены схема простейшего тиристорного ключа и временные диаграммы его работы. Временные диаграммы иллюстрируют пояснение термина «не полностью управляемый полупроводниковый прибор».

Так как транзисторы VT1 и VT2 (схема рисунка 2.41, в), выражающие свойства полупроводниковой структуры тиристора, обладают инерционностью, то включение тиристора происходит с некоторой задержкой во времени tзад. Кроме того, формирование фронта нарастания тока анодаiА также происходит с определенной длительностью tфр.

Поэтому для достаточно надежного включения тиристора длительность tупр импульса управления должна соответствовать условию:

где (tзад + tфр) = tвкл — время включения тиристора — нормативный параметр тиристора, задаваемый в соответствующих справочных данных. Этот параметр крайне важен, так как он определяет возможности повышения частоты преобразования силовых электронных устройств.

Амплитуда импульса тока управления Iупр должна быть достаточной для включения тиристора. Для определения требуемых параметров импульса Iупр рассмотрим выходные вольтамперные характеристики тиристора, изображенные на рисунке 2.43, где токи управляющего электрода соотносятся следующим образом: Iупр1 < Iупр2.

71

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Рисунок 2.42 — Схема и работа тиристорного ключа

Приведенная характеристика показывает, что тиристор может

включаться и при Iупр = 0 (Uвкл0), однако при этом напряжение Uвкл будет максимальным. С увеличением тока Iупр напряжение включе-

ния снижается: Uвкл2 < Uвкл1. При этом существует минимальное напряжение UАК min, при котором тиристор может включиться. Величина его определяется суммарными падениями напряжений на переходах транзисторов, входящих в транзисторную эквивалентную схему рисунка 2.41, в. Практически значение UАК min лежит в пределах 2–4 В.

Для того чтобы тиристор после включения оставался в открытом состоянии, требуется выполнения неравенства:

где Iуд — ток удержания тиристора.

Необходимость этого обусловлена тем, что при малых токах анода снижаются коэффициенты передачи тока H21э транзисторов, входящих в эквивалентную схему рисунка 2.41, в, обусловливая невозможность обеспечения регенеративного процесса, поддерживающего тиристор в открытом состоянии.

Тиристор включается при подаче тока на p-n переход, который является аналогом перехода «база-эмиттер» биполярного транзи-

72

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

стора. Поэтому для тиристора недопустима работа в режиме с оборванным управляющим электродом, который идентичен режиму с оборванной базой биполярного транзистора. При воздействии кратковременных паразитных импульсных помех по входу тиристора возможно его необратимое включение. Поэтому при разработке тиристорных схем необходимо выполнение введенного ранее условия для биполярного транзистора (2.26).

Для наглядности изложения и выяснения принципов выключения тиристора рассмотрим простейшие схемы, реализующие возможности его запирание (рисунок 2.44, а, б).

Рисунок. 2.43 — Вольтамперные характеристики тиристора

Принцип работы схем заключается в том, что для выключения тиристора VS необходимо исключить протекание тока анода IА. Когда прекращается ток анода, то, как видно из эквивалентной схемы рисунка 2.44, в, разрывается цепь регенеративной положительной обратной связи между транзисторами VT1 и VT2, что обусловливает их последующее выключение, вследствие чего тиристор также выключается и остается в этом состоянии до поступления следующего управляющего импульса Iупр.

В рисунке 2.44, а прекращение тока анода тиристора VS осуществляется включением транзистора VTвыкл импульсом тока iб выкл, длительность которого должна соответствовать неравенству

где tвыкл — время выключения тиристора.

73

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Рисунок 2.44 — Схемы выключения тиристора

Схема рисунка 2.44, б отличается тем, что для выключенияVS применяется обратная полярность тока, поступающего на анод тиристора. В схеме на интервале времени открытого состояния VS конденсатор Cвыкл заряжается показанной полярностью. При поступлении импульса тока iб выкл включается транзистор VTвыкл и конденсатор разряжается на VS. Такой метод позволяет уменьшить время выключения тиристора.

Рассмотрим основное преимущество тиристора по отношению к биполярному транзистору. Оно обусловлено специфическим свойством неполной управляемости тиристора. На рисунке 2.45 приведены две схемы, определяющие энергетические параметры процессов переключения мощных нагрузок Zн биполярным транзистором VT (рисунок 2.45, а) и тиристором VS (рисунок 2.45, б).

Рисунок 2.45 — Сравнение энергетических характеристик переключения тока биполярным транзистором (а) и тиристором (б)

74

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Вкачествепримераположим,чтопоказанныесхемыпереключают ток нагрузки, равный Iк = IА = 100 А. Для поддержания тока нагрузки в схеме рисунка 2.45, а требуется непрерывная подача тока базы:

где N — степень насыщения транзистора. Напомним, что специфическое свойство мощных биполярных транзисторов заключается в малых значениях коэффициента передачи базового тока H21Э. Практически нормированная минимальная величина коэффициента передачи базового тока мощных транзисторов составляет: H21Э min = 2–5. Если принять, что минимальное значение степени насыщения транзистора N = 2, то при подстановке этих величин в (2.44) получим, что требуемая величина тока базы в наихудшем

случае должна составлять Iб = 100 А.

В то же время для включения тиристора требуется относительно короткий импульс длительностью tи, и далее он остается включенным без необходимости присутствия входного сигнала iупр.

Очевидно, что при использовании тиристора взамен биполярного транзистора мощность управления силовым импульсным каскадом существенно снижается. Вопросы запирания тиристора рассматриваются далее (и они покажут довольно простые методы их практической реализации).

Основные параметры тиристора:

— максимально допустимое прямое напряжение UАК max;

— максимально допустимое обратное напряжение UАК обр max;

— максимально допустимый ток анода IА max;

— времена включения tвкл и выключения tвыкл;

— ток удержания Iуд;

— минимальное прямое напряжение UАК max.

Другим видом полупроводникового прибора со свойством неполной управляемости является симистор. Это симметричный тиристор, который предназначен для переключения нагрузок в цепях переменного тока. Полупроводниковая структура симистора приведена на рисунке 2.46, а, а его условное обозначение — на рисунке 2.46, б. Функционально симистор можно заменить двумя встречнопараллельно включенными тиристорами с одним общим управляющим электродом. В соответствии с этим, большая часть основных параметров тиристоров относится и к симисторам.

75

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

nVS

К УЭ

Рисунок 2.46 — Структура (а)

и условное обозначение (б) симистора

Строго говоря, обозначения «анод» и «катод» симистора условны, так как невозможно говорить о какой-либо полярности переменного напряжения. Поэтому принятые обозначения необходимы для того, чтобы определить точки подключения управляющего сигнала. Для рассматриваемых схем рисунка 2.46 точками подключения служат УЭ (положительная полярность управляющего импульса

тока) и К (отрицательная полярность).

Фототиристоры и фотосимисторы — это тиристоры и симисторы, которые управляются, как и фототранзисторы, оптическим излучением.

Как видно из полупроводниковых структур тиристора и симистора (рисунки 2.41, а и 2.46, а), внутренняя электрическая цепь между УЭ и К представляет собой обычный p-n переход, идентичный переходу «база-эмиттер» биполярного фототранзистора. На этот переход воздействует внешнее излучение, вызывая в необходимых случаях его открывание, что влечет за собой последующее включение тиристора и симистора.

2.3.5.2. Области применения тиристоров

Если областью применения фототранзисторов служит маломощная (информационная) электроника, то фототиристоры и фотосимисторы используются в силовой электронике больших мощностей и напряжений. В качестве примера на рисунке 2.47 приведена одна из схем применения фототиристораVSф для включения и выключения высоких напряжений UВН, например, высоковольтных ЛЭП.

76

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Пункт управления

Рисунок 2.47 — Схема переключения шины высокого напряжения UВН при помощи фототиристора VSф

Здесь для передачи оптического сигнала управления от устройства управления используется световод (волоконно-оптическая линия связи — ВОЛС). Так как длина световодаLсв может быть сделана практически сколь угодно большой (десятки-сотни метров), а материалом для ее изготовления служит диэлектрик, то здесь обеспечивается высокая степень прочности изоляции. Следовательно, электронная схема устройства управления тиристором (или симистором) оказывается электрически изолированной от высокого напряжения UВН, что позволяет обеспечить надлежащие требования электробезопасности схемы управления при наличии напряжения UВН в ЛЭП в десятки-сотни киловольт, единицы мегавольт и более. Применение фототиристоров позволяет также исключить применение громоздких высоковольтных индуктивных управляющих трансформаторов, обладающих большой материалоемкостью и высокой стоимостью.

Рассмотрим работу схемы тиристорного управляемого выпрямителя, которые, например, широко применяются в бытовых регуляторах освещенности и т.п. Упрощенная схема подобного регулятора с использованием в качестве нагрузки лампы накаливания HL показана на рисунке 2.48, а временные диаграммы его работы приведены на рисунках 2.49, а, б. Для упрощения рассмотрения процессов работы показан однополупериодный выпрямитель, однако все рассмотренные процессы относятся и к двухполупериодным выпрямителям, где в качестве управляющего элемента должен применяться симистор.

На временных диаграммах рисунках 2.49, а и б приведены два варианта работы выпрямителя, обусловливающие большее и меньшее значения среднего значения выходного напряжения uн. Диаграмма рисунка 2.49, а показывает работу схемы при отставании по фазе импульса управляющего тока iупр тиристора на угол wt = φ1, а диаграмма рисунка 2.49, б — на угол wt = φ2, где φ2 > φ1.

77

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Рисунок 2.48 — Схема тиристорного управляемого выпрямителя

Рисунок 2.49 — Временные диаграммы работы тиристорного выпрямителя

78

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

Первому значению угла φ1 соответствует среднее значение напряжения на нагрузке Uн1, второму — напряжение Uн2. Таким образом, движение угла φ по оси времени вызывает изменение среднего значения выходного напряжения выпрямителя, где для дан-

ного случая Uн1 > Uн2.

Изменение среднего значения выходного напряженияUн обусловливает изменение яркости излучения лампы накаливания HL. Рассмотренное схемотехническое решение широко применяется в бытовых и промышленных объектах для освещения рабочих мест

ипомещений.

Вданной схеме тиристорного выпрямителя не требуется принимать мер по выключению тиристора. Это обусловлено тем, что существуют моменты времени, когда в момент смены полярности

полусинусоид переменного входного напряжения приuвх(kp) = 0 и, как следствие, транзисторы VT1 и VT2 эквивалентной схемы рисунка 2.41, в выключаются, что вызывает выключение тиристора VS.

Следовательно, если тиристор используется в схемах преобразования переменного напряжения, то он выключается без принятия схемотехнических решений для его выключения.

Рассмотрим другой пример применения тиристора в устройствах преобразования электрической энергии. На рисунках 2.50, а, б приведены схема тиристорного инвертора и временные диаграммы его работы соответственно.

Вэтой схеме выключение тиристоров осуществляется путем разряда заряженного на предыдущем этапе работы инвертора комму-

тирующего конденсатора Ск на электроды «анод-катод» включенного тиристора напряжением обратной полярности.

Схема работает следующим образом. При включенном состоя-

нии тиристора VS1 на выходной обмотке wн формируется положительный импульс выходного напряжения uн. Одновременно с этим коммутирующий конденсатор Ск заряжается до напряжения Еп полярностью, показанной без скобок на рисунке 2.50, а.

На следующем этапе работы при подаче импульса управления

iупр.2 включается тиристор VS2 и конденсатор Ск обратной полярностью разряжается на открытый тиристор VS1, чем обусловливается

его запирание. Далее конденсатор Ск заряжается полярностью напряжения, показанной в скобках, и процессы повторяются аналогично. При этом для обеспечения работоспособности схемы в симметричном режиме, то есть для исключения подмагничивания магнитопровода трансформатора TV, необходимо, чтобы t1 = t2.

79

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Рисунок 2.50 — Схема (а) и временные диаграммы (б) работы тиристорного инвертора

Реальные схемы силовых тиристорных инверторов, используемых на тяговых подстанциях и на подвижном составе железнодорожного транспорта или на промышленных объектах, более сложны. Однако во многих случаях в них применяются рассмотренные принципы выключения тиристоров.

Основная область применения тиристоров и симисторов — силовые преобразователи электрической энергии мощностью свыше нескольких десятков-сотен киловатт, в частности, на железнодорожном транспорте.

2.3.6.Специальные виды полупроводниковых приборов

Кспециальным типам полупроводниковых приборов, рассматриваемым в настоящем учебном пособии, относятся варикапы, датчики Холла, магнитодиоды, лазерные диоды и появившиеся за последнее время новые типы транзисторов. Эти полупроводниковые приборы наиболее часто используются в различных устройствах автоматики, телемеханики для измерения электрических и неэлектрических величин и в мощных силовых преобразователях электрической энергии.

80