Элементная база, используемая в преобразователях
Принцип работы любого преобразователя основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В качестве вентиля может использоваться любой выпускаемый промышленностью прибор, работающий в ключевом режиме. В ключевом режиме на приборе будет выделяться минимальная мощность, что в основном и определяет КПД устройства. В случае идеального ключа на этапе его проводящего состояния падение напряжениям на ключе равно нулю. В запертом состоянии отсутствие тока также определяет нулевое значение потери мощности. В настоящее время в качестве электрических вентилей используются полупроводниковые приборы, основные из которых перечислены ниже и представлены на рис 2 (для каждого прибора даны его символическое изображение и типовая вольт-амперная характеристика).
Диоды (рис. 2, а). Проводимость диода зависит от полярности приложенного к нему напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток Iа.доп < 1 А), средней мощности (Iа.доп = 1…10 А) и большой мощности (Iа.доп > 10 А).
По назначению диоды делятся на низкочастотные (fдоп ≤ 500 Гц) и высокочастотные (fдоп > 500 Гц). Высокочастотные диоды Шоттки имеют время восстановления доли микросекунд.
Однооперационные тиристоры (рис. 2, б). Прибор переходит в проводящее состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Выключить однооперационный тиристор по цепи управления невозможно. Для его выключения необходимо поменять полярность анодного напряжения. Промышленность выпускает тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимые напряжения единицы киловольт с временем восстановления управляющих свойств от сотен микросекунд до долей микросекунды.
Двухоперационные (запираемые) тиристоры [GTO (Gate Turn-Off) thyristor] (на рис. 2, в). Эти приборы имеют такую же вольт-амперную характеристику, как и однооперационные тиристоры, но их можно закрыть (запереть) по цепи управления.
Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления. Однако существующие двухоперационные тиристоры выпускаются промышленностью на значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные тиристоры (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Кроме того, они имеют меньший коэффициент усиления, т.е. для того чтобы выключить двухоперационный тиристор, по цепи управления необходимо пропустить импульс тока, соизмеримый по значению со значением выключаемого тока.
Аналогичные вольт-амперные характеристики имеют фототиристоры и оптронные тиристоры, в которых сигнал управления передаётся световым лучом.
Симисторы (рис. 2, г). Эти приборы могут проводить ток в обе стороны, т.е. симистор – это не что иное, как два тиристора, включенных антипараллельно.
Обозначение на схемах
Фото современных симисторов
Симистop (симметричный триодный тиристор) или триак (от англ. TRIAC – triode for alternating current) – полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний – выводом 2 или условным анодом, вывод справа – управляющим электродом.
Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Другой особенностью симистора, как и других тиристоров, является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзисторa). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Отсюда следует, что выключение нагрузки в цепи переменного тока происходит вблизи моментов времени, когда ток через основные электроды симистора меняет направление (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети).
Симистор был изобретен в г. Саранске на заводе «Электровыпрямитель» в 1962-1963 г. начальником конструкторского бюро Василенко Валентиной Стефановной. Запатентован в СССР с приоритетом от 22 июня 1963 года, на полгода ранее, чем в США.
Структура
Симистор имеет пятислоевую структуру полупроводника. Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы (см. рис.) из двух триодных тиристоров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.
