Структура тиристора, ВАХ и принцип работы

Простейший диодный тиристор имеет четырехслойную р-п-р-п-структуру (рис.5.б), изготовленную из кремния.

Область р1, на которую подают положительное напряжение от источника напряжения Еа

 

рис. 5.3

 

называется – анодом, область п2 – катодом, а области п1 и р2 – базами. Между р и п областями возникают р-п-переходы П1, П2, П3. Переходы П1 и П3 называются эмиттерными, переход П2 – коллекторным т.к. он смещен в обратном направлении. Аналогом тиристора может служить схема (рис.5.а) из двух биполярных транзисторов VT1 – р-п-р-типа и VT2 - п-р-п-типа.

Вольт-амперная характеристика динистора приведен на рис.5.3в. На ней можно выделить четыре участка.

Участок – 1. На аноде положительное напряжение. Переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном.

Все внешнее напряжение будет приложено к КП. Ток коллекторного перехода I_кп – это малый по величине ток неосновных носителей заряда. Он является суммой токов, вызванных инжекцией через эмиттерные переходы П1 и П3, и небольшого собственной обратного тока перехода П2:

I_кп=a₁I_э1+ a₂I_э2 +I_ко,

где a₁ и a₂ – коэффициенты инжекции тока эмиттерных переходов П1 и П3. Очевидно, что I_кп=I_э1=I_э2= I_а т.к. это элементы одной злектрической ветви, а потому

I_а=I/ко (1-(a₁+ a₂))

Пока напряжение между анодом и катодом относительно мало a₁ + a₂<<1, I_кп= I_к0, сопротивление прибора велико (до сотен килоом). Таккак коэффициенты передачи тока эмиттерных переходов П1 и П3 (a₁ и a₂) с увеличением Uак растут. Следовательно, растет и ток I_а.

Участок 2. При определенном значении напряжения Uак, называемом напряжением включения Uвкл, a₁ + a₂ =1. Ток в соответствии с (6.4) должен стремиться к бесконечности. Начинается лавинообразное увеличение токов. Транзисторы переходят в режим полного насыщения. Сопротивление прибора при этом падает до единиц ом. Но наличие в цепи анода резистора с сопротивлением Rа- ограничивает ток на уровни Е_а/ R_а..

Участок 3, соответствует ВАХ диода в отрытом состоянии. Это проводящее состояние динистора. I_а@Еа /R.

Участок 4. Переходы П1 и П3 смещены в обратном направлении. Ток динистора мал. Это запертое т.е. непроводящее ток, состояние динистора. При достаточно больших обратных напряжениях, обратный ток динистора резко возрастает – это тепловой пробой. В основном за процесс включения динистора отвечает переход П3 и процессы в области р₂. Обычно выполняется условие a₂>a₁. Это достигается конструкцией – W_n1>W_p2, где W_n1>W_p2 – толщина базы n1 и p2.

Тирстор имеет дополнительный – управляющий электрод. Если, используя управляющий электрод, с помощью внешнего источника напряжения или тока в цепи эмиттерного перехода П3 обеспечить протекание тока, то это вызовет увеличение a₂ и сумма a₁ + a₂ приблизится к единице при меньшем напряжении Uак, чем при отсутствии тока в цепи управляющего электрода. Следовательно, изменяя ток управляющего электрода, I_уэ можноа изменять U_вкл. После открывания тиристора ток I_уэ может быть уменьшен до нуля, но прибор останется во включенном состоянии. Чтобы выключить прибор, надо прервать или значительно уменьшить на определенное время проходящий через, него ток – условие выключения тиристора I_а <I_уд.

В последнее время начат выпуск ЭПс пятислоиной структурой (семисторов).Их ВАХ одинакова в 1-м и 3-м квадрантах, а управление включением обеспечивается с помощью одного (общего) электрода.

Параметры тиристоров. Тиристоры принято характеризовать напряжением и токомвключения; максимально допустимым обратным напряжением, максимально допустимым током в открытом состоянии, падением напряжения на приборе при максимально допустимом прямом токе; током выключения или его называют током удержания (током, ниже которого прибор переходит в закрытое состояние), минимальной длительностью включающего импульса: Все эти параметры и ряд дополнительных данных об условиях эксплуатация тиристоров приводится в соответствующих справочниках.

рис. 5.4

 

Выпрямители

Рассмотрим выпрямители переменного напряжения.

Основные параметры:

1. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

2. Коэффициент пульсации: К_пл=U_m1/U₀, где U_m1 - амплитуда первой гармоники напряжения пульсаций.

У идеального выпрямителя коэффициент пульсации равен нулю, но такого не существует.

В зависимости от числа полупериодов используемых при выпрямлении различают следующие выпрямители:

1.
Однофазный однополупериодный выпрямитель (рис.12.3).

Принцип его работы основан на односторонней проводимости диода VD.

Рис.12.3

 

Среднее значение напряжения за период при однополупериодном выпрямлении составляет:

.

Отсюда, коэффициент пульсаций К_пл=U_1m1/U₀=1,57, где U_1m1= U_1m/2, где U_1m1 - амплитуда первой гармоники переменного напряжения на нагрузке. Таким образом, коэффициент пульсаций велик, что является главным недостатком данной схемы.

Диод выбирается из следующих соотношений:

; , где I_ДОП – максимально допустимый ток диода, I_Н.max – максимальный ток нагрузки, U_{ОБР.ДОП} – максимально допустимое напряжение на диоде.

Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах т.к. характеризуются плохим использование трансформатора (через трансформатор протекает постоянная составляющая тока, что вызывает его подмагничивание и проводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры) и большим значение коэффициента пульсаций.

2. Двухполупериодные выпрямители.

а) Двухполупериодная мостовая схема (рис.12.4)

Эту схему иногда называют однофазной мостовой. Она получила

Рис.12.4

 

наиболее широкое распространение. Ее основу составляет диодный мост, состоящий из четырех диодов. Среднее значение напряжения за период при двухполупериодном выпрямлении составляет:

.

Отсюда, коэффициент пульсаций К_пл=U_1m1/U₀=0,67, где U_1m1= U_1m/2, где U_1m1 - амплитуда первой гармоники переменного напряжения на нагрузке. Малое значение коэффициента пульсаций является преимуществом данной схемы.

Диоды мостовой схемы выбирается также как в предыдущей схеме:

; , где I_ДОП – максимально допустимый ток диода, I_Н.max – максимальный ток нагрузки, U_{ОБР.ДОП} – максимально допустимое напряжение на диоде.

В таком выпрямителе отсутствует подмагничивание трансформатора постоянным током – это его достоинство, а недостатком является большое число диодов, что приводит к увеличенному падению напряжения на выпрямителе. Поэтому такие выпрямители основном применяются при выпрямлении высоких напряжений (более 5В).

б) Двухфазный двухполупериодный выпрямитель (рис.12.5). Схема состоит из двух диодов и трансформатора со средней точкой. Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение одного полупериода.

 

 

Рис.12.5

 

 

Диоды выбирается из следующих соотношений:

; , где I_ДОП – максимально допустимый ток диода, I_Н.max – максимальный ток нагрузки, U_{ОБР.ДОП} – максимально допустимое напряжение на диоде.

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель применяется в источниках питания с небольшим напряжениям. Он по сравнению с однофазным мостовым выпрямителем позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери напряжения на выпрямителе.

Выпрямители без сглаживающих фильтров применяются сравнительно редко, лишь там, где пульсации напряжения на нагрузке не существенны