Тиристорные оптопары

Фотоприемником тиристорных оптопар является кремниевый фототиристор, имеющий структуру p-n-p-n (рис. 3.9). Конструктивно оптопара выполнена так, что основная часть излучения излучающего диода направлена на высокоомную базовую область n- фототиристора. К крайним областям – аноду p и катоду n – прикладывается внешнее выходное напряжение плюсом к аноду.

Рис. 3.9

При облучении в n- базе генерируются пары носителей заряда – электронов и дырок. Электрическим полем центрального перехода П2

между n и p областями носители заряда разделяются. При этом электроны остаются в n- базе, а дырки попадают в p- базу, заряжая соответствующие базы отрицательно и положительно. При такой полярности на базах происходит инжекция носителей заряда из крайних областей структуры, называемых эмиттерами. Лавинообразное нарастание тока через структуру приводит к отпиранию фототиристора. При этом все три перехода оказываются смещенными в прямом направлении, и падение напряжения на приборе в открытом состоянии получается малым.

В статическом режиме (при протекании постоянного тока) по закону непрерывности тока для центрального перехода можно записать:

.

Отсюда получим:

,

где , , – фототоки, возникающие вследствие разделения соответствующим p-n переходом генерированных излучением носителей; и – коэффициенты передачи по току транзисторных структур p-n-p и n-p-n.

При отсутствии облучения, т.е. при = = =0, получаем темновую характеристику фототиристора. В этом случае через фототиристор протекает небольшой ток утечки, который очень зависит от температуры. При увеличении температуры на каждые 10⁰С этот ток примерно удваивается.

При облучении фототиристора величина играет роль тока управления, который изменяет напряжение включения фототиристора. Фототиристор, так же как и фототранзистор, обладает большим внутренним усилением фототока. Однако, в отличие от последнего, включенное состояние фототиристора сохраняется и при прекращении действия излучения.

Выходная ВАХ тиристорной оптопары подобна обычной ВАХ фототиристора (рис. 3.10). Так как фототиристор является пороговым элементом, и после его включения выходной ток определяется внешней нагрузкой, то для него не имеет смысла.

Рис. 3.10

Важным параметром тиристорных оптопар является ток спрямления по входу, при котором на выходной характеристике исчезает участок отрицательного сопротивления. При работе тиристорных оптопар в импульсном режиме амплитуда тока спрямления возрастает с уменьшением длительности импульсов. Увеличением амплитуды управляющего импульса можно добиться снижения времени включения оптопары, однако при этом время выключения увеличивается.

Тиристорные оптопары наиболее перспективны для коммутации сильноточных и высоковольтных цепей. По сочетанию коммутируемой мощности и быстродействию они превосходят транзисторные оптопары. В относительно маломощных цепях применяются оптопары, способные коммутировать напряжение до 400 В и ток до 50 мА с =10…15 мкс, =35…200 мкс.

Более мощные тиристорные оптопары типа ТО предназначены для использования в силовых цепях постоянного и переменного тока. Максимальный коммутируемый ток в этих оптопарах может достигать 320 А, а максимальное допустимое напряжение – 1200 В.

Основные области применения тиристорных оптопар: гальваническая развязка логических цепей управления от высоковольтных цепей исполнительных механизмов, управление мощными тиристорами, защита вторичных источников питания, формирование мощных импульсов и др.