Андреевская Т.М. Полный курс основы аналоговой схемотехники
Подождите немного. Документ загружается.
По горизонтальной оси отложено напряжение между анодом и катодом, а по вертикальной –
протекающий через прибор ток.
Изменяемым параметром семейства характеристик является значение тока
I
у
в цепи управляющего электрода.
На ВАХ тиристора можно выделить четыре характерных участка, отмеченных на рис. 3
латинскими буквами
ABCDE. Дополнительно на рис. 3 показаны нагрузочные прямые
I,
II,
III для различных напряжений сети.
Участок
AB соответствует обратной характеристике, когда к аноду тиристора приложено отрицательное
напряжение относительно катода. При разомкнутой цепи управления или отсутствии в ней тока (
I
у
=0) обратная характеристика тиристора аналогична обратной ВАХ полупроводникового диода. В
рабочем диапазоне напряжений
U
зс
от 0 до максимального рабочего, называемого обратным повторяющимся напряжением
U
повт, обр
max
, через прибор протекает очень малый, порядка долей миллиампера, ток (рабочая точка 1).
Прямая ветвь тиристора изображена в первом квадранте системы координат. Она соответствует
такой полярности напряжения, когда к аноду приложено положительное относительно катода
напряжение.
На отрезке
BC вплоть до напряжения переключения
U
повт. пр мах
тиристор с нулевым управляющим током закрыт и ток через него не превышает 5-15 мА
(рабочая точка 2). Переход в открытое состояние ( в рабочую точку 3 на участке
DE) возможен двумя способами. Первый способ – повышение напряжения на тиристоре, так что
рабочая точка доходит до точки
С. В этом случае рабочая точка скачкообразно переходит на участок
DE. Такой режим включения тиристора применяется редко. Традиционным способом открытия
тиристора является подача управляющего тока. В результате кривая
BCD на ВАХ спрямляется, и рабочая точка также попадает на участок
DE, соответствующий открытому состоянию тиристора. Семейство вольт-амперных характеристик
при разных управляющих токах показывает, что при различных напряжениях на тиристоре требуется
подача различных токов управления для включения тиристора: малые управляющие токи при
больших напряжениях и большие токи при малых напряжениях. При управляющем токе, равном
I
уз
, прямая ветвь ВАХ тиристора также совпадает с ВАХ полупроводникового диода.
Отметим, что участок
DC характеризует неустойчивое состояние тиристора. Эта область носит название участка с
отрицательным электрическим сопротивлением. Из него тиристор всегда переходит в открытое
состояние с низким электрическим сопротивлением (на участок
DE).
Рабочий участок
DE соответствует открытому состоянию симистора и характеризуется малым падением напряжения
на приборе
U
ос
при большом токе
I
oс
. Эта область характеристики аналогична прямой ветви характеристики полупроводникового
диода. Напряжение
U
ос,
в зависимости от свойств полупроводниковой структуры, равно 1-2 В и слабо зависит от
величины протекающего тока
I
oс
. На переходе тиристора выделяется мощность, которую можно оценить величиной (1…2)х
I
oс
. После падения тока, проходящего через тиристор, ниже значения тока удержания
I
у
тиристор закрывается.
Собственно в этом и заключается самое полезное свойство тиристора, симистора и других
приборов с отрицательным обратным сопротивлением: переключенные в состояние с малым
сопротивлением, они остаются в этом состоянии сколь угодно долго, даже после снятия
управляющего сигнала, вплоть до падения тока нагрузки ниже тока удержания. Это позволяет
управлять симисторами и тиристорами короткими импульсами управляющего напряжения.
Вольт-амперная характеристика симистора очень похожа на ВАХ тиристора, но поскольку, для
симистора не существует прямого и обратного направления включения, то кривая симметрична
относительно центра координат. Каждая из половин этой кривой напоминает кривую включения
тиристора в прямом направлении.
Одним из факторов, делающих симистор более удачным устройством для коммутации
переменного тока, чем тиристор, является то, что прибор имеет одинаковые свойства при протекании
по нему тока в любом из направлений. Как и тиристор, симистор выключается при токе через него,
стремящемся к 0. Это снижает индукционные и другие наведѐнные токи и помехи в сети,
вызываемые отключением питания при высоком напряжении.
2.4.3 Режимы работы тиристора
ВАХ тиристора (с управляющими электродами или без них) приведена на рис 2.
Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора
Она имеет несколько участков:
Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению
прибора — прямое запирание.
В точке 1 происходит включение тиристора.
Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным сопротивлением.
Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).
В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток Ih.
Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.
Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.
Режим обратного запирания
Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора
Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:
Лавинный пробой.
Прокол обеднѐнной области.
В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по
отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещѐн в
прямом (см. рис. 3). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из
переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет
переход J1. В зависимости от толщины Wn1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением
(толщина обеднѐнной области при пробое меньше Wn1) либо проколом (обеднѐнный слой
распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).
Режим прямого запирания
При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно
смещѐн только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть
приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к
переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2,
увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нѐм.
При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растѐт медленно, что
соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как
сопротивление перехода J2 всѐ ещѐ очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре
снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что
вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в
область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется
напряжением переключения VBF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер,
тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нѐм устанавливается
ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.
Режим прямой проводимости
Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом
направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-
n2 ведѐт себя аналогично насыщенному транзистору с удалѐнным диодным контактом к области n1.
Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p+-i-n+)-диоду.
2.4.4 Принцип отпирания тиристора с помощью управляющего электрода
Эквивалентное представление структуры р-n-p-n в виде двух транзисторов показано на рис. 3.
Рис.3. Разбиение тиристора на два транзистора
Представление тиристора в виде двух транзисторов разного типа проводимости приводит к
эквивалентной схеме, представленной на рис. 1.4. Она наглядно объясняет явление отпирания
тиристора.
Рис.4. Представление тиристора в виде двухтранзисторной схемы
Зададим ток I
GT
через управляющий электрод тиристора, смещенного в прямом направлении
(напряжение V
AK
положительное), как показано на рис. 4.
Так как ток I
GT
становится базовым током транзистора n-p-n, то ток коллектора этого транзистора
равен B
1
xI
GT
, где B
1
- коэффициент усиления по току транзистора Т1.
Этот ток одновременно является базовым током транзистора р-n-р, что приводит к его отпиранию.
Ток коллектора транзистора Т2 составляет величину B
1
xB
2
xI
GT
и суммируется с током I
GT
, что
поддерживает транзистор Т1 в открытом состоянии. Поэтому, если управляющий ток I
GT
достаточно
велик, оба транзистора переходят в режим насыщения.
Цепь внутренней обратной связи сохраняет проводимость тиристора даже в случае исчезновения
первоначального тока управляющего электрода IGT, при этом ток анода (1А ) остается достаточно
высоким.
Типовая схема запуска тиристора приведена на рис. 5
.
Рис.5. Типичная схема запуска тиристора
2.4.5 Отключение тиристора
Тиристор перейдет в закрытое состояние, если к управляющему электроду открытого тиристора не
приложен никакой сигнал, а его рабочий ток спадет до некоторого значения, называемого током
удержания (гипостатическим током).
Отключение тиристора произойдет, в частности, если была разомкнута цепь нагрузки (рис. 6а) или
напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого
полупериода переменного напряжения питания).
Рис.6. Способы отключения тиристора
Когда тиристор работает при постоянном токе, отключение может быть произведено с помощью
механического выключателя.
Включенный последовательно с нагрузкой этот ключ используется для отключения рабочей цепи.
Включенный параллельно основным электродам тиристора (рис. 6б) ключ шунтирует анодный ток,
и тиристор при этом переходит в закрытое состояние. Некоторые тиристоры повторно включаются
после размыкания ключа. Это объясняется тем, что при размыкании ключа заряжается паразитная
емкость р-n перехода тиристора, вызывая помехи.
Поэтому предпочитают размещать ключ между управляющим электродом и катодом тиристора
(рис. 1.6в), что гарантирует правильное отключение посредством отсечения удерживающего тока.
Одновременно смещается в обратном направлении переход р-n, соответствующий диоду D2 из
схемы замещения тиристора тремя диодами (рис. 2).
На рис. 6а-д представлены различные варианты схем отключения тиристора, среди них и ранее
упоминавшиеся. Другие, как правило, применяются, когда требуется отключать тиристор с помощью
дополнительной цепи. В этих случаях механический выключатель можно заменить вспомогательным
тиристором или ключевым транзистором, как показано на рис. 7.
Рис.7. Классические схемы отключения тиристора с помощью дополнительной цепи
2.4.6 Симистор
Симиcmop - полупроводниковый прибор, который широко используется в системах, питающихся
переменным напряжением. Упрощенно он может рассматриваться как управляемый выключатель. В
закрытом состоянии он ведет себя как разомкнутый выключатель. Напротив, подача управляющего
тока на управляющий электрод симис-тора ведет к переходу его в проводящее состояние. В это
время симистор подобен замкнутому выключателю.
При отсутствии управляющего тока симистор во время любого полупериода переменного
напряжения питания неизбежно переходит из состояния проводимости в закрытое состояние.
Кроме работы в релейном режиме в термостате или светочувствительном выключателе,
разработаны и широко используются системы регулирования, функционирующие по принципу
фазового управления напряжением нагрузки, или, другими словами, плавные регуляторы.
Структура симистора
Симистор можно представить двумя тиристорами, включенными встречно-параллельно. Он
пропускает ток в обоих направлениях. Структура этого полупроводникового прибора показана на
рис. 8. Симистор имеет три электрода: один управляющий и два основных для пропускания рабочего
тока.
Рис.8. Структура симистора
Функционирование симистора
Симистор открывается, если через управляющий электрод проходит отпирающий ток или если
напряжение между его электродами А1 и А2 превышает некоторую максимальную величину (на
самом деле это часто приводит к несанкционированным срабатываниям симистора, происходящим
при максимуме амплитуды напряжения питания).
Симистор переходит в закрытое состояние после изменения полярности между его выводами А1 и
А2 или если значение рабочего тока меньше тока удержания I
у
.
Отпирание симистора
В режиме переменного питания смена состояний симистора вызывается изменением полярности
напряжения на рабочих электродах А1 и А2. Поэтому в зависимости от полярности управляющего
тока можно определить четыре варианта управления симистором, как показано на рис. 9.
Каждый квадрант соответствует одному способу открывания симистора. Все способы кратко
описаны в табл. 1.
Рис.9. Четыре возможных варианта управления симистором
Таблица 1. Упрощенное представление способов открывания симистора
Квадрант
V
A2-A1
V
G-A1
I
GT
Обозначение
I
>0
>0
Слабый
+ +
II
>0
<0
Средний
+ -
III
<0
<0
Средний
- -
IV
<0
>0
Высокий
- +
Например, если между рабочими электродами симистора прикладывают напряжение V
A1-A2
>0 и
напряжение на управляющем электроде отрицательно по отношению к аноду А1, то смещение
симистора соответствует квадранту II и упрощенному обозначению + -.
Для каждого квадранта определены отпирающий ток I от (I
GT
), удерживающий ток I
уд
(I
н
) и ток
включения I
выкл
(I
L
).
Отпирающий ток должен сохраняться до тех пор, пока рабочий ток не превысит в два-три раза
величину удерживающего тока I
н
. Этот минимальный отпирающий ток и является током включения
симистора I
L
.
Затем, если убрать ток через управляющий электрод, симистор останется в проводящем состоянии
до тех пор, пока анодный ток будет превышать ток удержания I
н
.
2.5 Схемы выпрямителей с активной нагрузкой
2.5.1 Однополупериодная схема выпрямителя
Схема однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой приведена на рис.1.1а,
временные диаграммы, поясняющие принцип действия – на рис1.1б.
При синусоидальном напряжении сети э.д.с. вторичной обмотки трансформатора также
изменяется по синусоидальному закону:
e
2
(
t) = E
2m
sinωt.
Дальнейший анализ схемы проводится в предположении, что диод имеет идеальную
характеристику (напряжение отсечки Е
о
= 0), что практически имеет место при Е
2m
>> Е
0
.
U
н
U
0
I
0
i
e
R
H
Tp
VD
I
2
I
0
U
o
U
1
а)
2
U
н
U
0
I
0
i
e
R
H
Tp
VD
I
2
I
0
U
o
U
1
а)
б)
I
1
u, i
i
H
Рис.1.1 Однополупериодная схема выпрямителя с активной нагрузкой (а)
и временные диаграммы ее работы (б)
В положительный полупериод (0
t
) диод включен в прямом направлении и в цепи
вторичной обмотки трансформатора протекает ток:
i
2
(ωt) = i
н
(ωt) =
H
R Rr
t sinE
ітр
2m
= I
2m
sinωt,
где r
тр
- сопротивление трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке;
R
i
- прямое сопротивление диода.
Напряжение на нагрузке равно (рис.1.1б):
u
н
(ωt) = i
н
(ωt) · R
Н
=
H
R Rr
t sinE
ітр
2m
· R
Н
.
В отрицательный полупериод (
t
2
) диод включен в обратном направлении и ток
вторичной обмотки трансформатора практически равен нулю. Напряжение на нагрузке также равно
нулю. Таким образом, напряжение и ток в нагрузке постоянны по направлению, но переменные по
величине. Основными характеристиками в цепях постоянного тока являются средние значения
напряжения U
0
и тока I
0
.
U
0
=
2
0
)t(d)t(
н
u
2
1
=
2
0
ітр
2m
)t(dR
R Rr
t sinE
2
1
Н
Н
=
Н
Н
R Rr
R
E
ітр
m2
;
I
0
=
)R Rr(
E
R
U
НН ітр
m20
По отношению к нагрузке выпрямитель можно представить активным двухполюсником
(рис.1.2), параметры которого определяются по теореме об эквивалентном генераторе:
U
0 xx
=
2
2m
E2
E
= 0,45E
2,
R
вн
= r
тр
+R
i
Рис.1.2 Эквивалентная схема выпрямителя
При необходимости учитывать напряжение отсечки диода Е
0
(для Е
2m
< 3B) напряжение на
нагрузке равно :
U
0
=
H
R
RR
EU
Hвх
0Oxx
.
Параметры трансформатора определяются через действующие значения напряжений и токов
вторичной (U
2
, I
2
) и первичной (U
1
, I
1
) обмоток:
I
2
=
)t(d)t(i
2
1
2
2
=
)t(d
R Rr
tt sinE
2
1
2
Hітр
2m
=
2
I
m2
,
или
I
2
=
)R R2(r
t sinE
Hітр
2m
= 1,57I
0 .
В однополупериодной схеме выпрямителя ток вторичной обмотки трансформатора содержит
постоянную составляющую I
0
, которая не трансформируется в первичную обмотку. Форма тока
первичной обмотки показана на рис.1.1б, аналитическое выражение тока i
1
(
t) имеет вид:
i
1
(ωt) =
.2t0,
K
I
;t0,I)t(i
K
1
T
0
02
T
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора определяется аналогично
I
2
:
I
1
=
0
2
T
2
0
0
2
T
2
02
)t(d
K
I
2
1
)t(d
K
I)t(i
2
1
=
T
0
K
I21,1
.
Мощность вторичной обмотки трансформатора:
P
2
= E
2
·I
2
=
45,0
U
0
·1,57 I
0
= 3,5 U
0
I
0
= 3,5P
0.
Мощность первичной обмотки трансформатора:
P
1
= U
1
·I
1
=
45,0
U
0
·K
T
·I
0
T
0
K
I21,1
= 2,7 U
0
I
0
= 2,7 P
0.
Габаритная мощность трансформатора:
P
габ
=
2
PP
21
= 3,1 Р
0.
Качество выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсаций –
отношением амплитуды первой гармоники напряжения на нагрузке к его среднему значению:
O
)1(
m
П
U
U
K
,
2
0 0
ітр
2m
)1(
m
)t(dtsinR
R Rr
t sinE
1
)t(dtsin)t(
н
u
1
U
H
H
= 1,57 U
0,
K
П
= 1,57
157%.
Диод для работы в схеме выпрямителя выбирается по среднему току и максимальному
обратному напряжению. Для однополупериодной схемы эти величины равны:
I
пр доп
> I
0,
U
обр мах
> U
2m.
Из-за низких энергетических и качественных показателей однополупериодная схема с
активной нагрузкой используется очень редко.
2.5.2 Двухполупериодные схемы выпрямителей
В двухполупериодных схемах выпрямителей энергетические и качественные показатели
значительно выше, чем в однополупериодной. Схема двухполупериодного выпрямителя со
средней точкой с активной нагрузкой приведена на рис.1.3а, временные диаграммы, поясняющие
работу схемы, - на рис.1.3б. Фактически схема представляет собой два однополупериодных
выпрямителя, работающих на общую нагрузку.