Полупроводники

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

5. ТИРИСТОРЫ

Тиристор – полупроводниковый прибор с тремя или более взаимодействующимиp–n- переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Тиристор, имеющий два вывода, называется диодным тиристором (динистором). Тиристор, имеющий два основных вывода и один управляющий вывод, называется триодным тиристором (тринистором). Тиристор, имеющий симметричную относительно начала координат вольт-амперную характеристику, называется симметричным тиристором (симистором).

На рис. 5.1 представлены конструкции тиристоров различной мощности и назначения.

Рис. 5.1. Конструкции тиристоров: дискретное (а) и модульное (б) исполнение

5.1. Динисторы

Динистор представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, в котором созда-

ны четыре чередующиеся области с различным типом проводимости p1 - n1 - p2 - n2 (рис. 5.2, а). На

границах раздела этих областей возникнутp–n-переходы:

крайние переходы П1

и

П3

называются

эмиттерными, а области, примыкаю-

щие к ним, – эмиттерами; средний p–

R

n-переход

П2

называется коллектор-

+

U -

ным. Внутренние n1 - и

p2 -области

П1

П2

П3

I

структуры называется базами. Область

p1

p , в которую попадает ток из внеш-

n1

p2

n2

1

называется анодом (А), об-

ней сети,

A

K

ласть n2 – катодом (К).

Рассмотрим

процессы, происхо-

дящие в тиристоре при подаче прямого

Рис. 5.2. Структура динистора (а)

напряжения, т.е. «+» на

анод, «–» на

и его условное графическое обозначение (б)

катод. В

этом

случае

крайниеp–n-

	переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, средний переход П2	смещен в обратном на-
	правлении. Соответственно динистор можно представить в виде	двухтранзисторной	структуры
	(рис. 5.3). Так как переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, из них в области баз инжекти-
	руются носители заряда: дырки из области p1 , электроны из области n2 . Эти носители заряда диф-
	фундируют в областях баз n1 и p2 , приближаясь к коллекторному переходу, и перебрасываются его
	полем через переход П2 . Дырки, инжектированные из области p1 , и электроны из области n2		дви-
	жутся через переход П2 в противоположных направлениях, создавая общий ток I .

91

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

-

K

При малых значениях внешне-

I

-

K

го напряжения все оно практиче-

IК

ски падает на коллекторном пере-

n

VT 2

ходе

П2 . Поэтому

к

переходам

2

Iк1

П1 и П3 , имеющим малое сопро-

p2

p2

Iк2

тивление, приложена

малая

раз-

n1

n1

VT1

ность потенциалов и инжекция но-

сителей заряда невелика. В этом

p1

I А

случае

ток I

мал и

равен

обрат-

A

+

ному току через переход П2 .

а

A

+

б

При увеличении внешнего на-

пряжения ток в цепи сначала изме-

Рис. 5.3. Структура (а) и схема двухтранзисторного эквивалента динистора (б)

няется

незначительно.

При

даль-

нейшем

увеличении

напряжения,

по мере увеличения ширины пере-

хода П2 , все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной

ионизации. При определенной величине напряжения носители заряда ускоряются настолько, что при

столкновении с атомами p–n-перехода П2

ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей

заряда. Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область p2 , а

электроны в область n1 . Ток через переход П2 увеличивается,

а его сопротивление и падение напря-

жения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П1

и П3 и увеличению инжекции через них,

что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и токов

инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода П2 становится малым. Носи-

тели заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к

уменьшению сопротивления всех областей динистора, и падение напряжения на нем становится незна-

чительным. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок2 с отрицатель-

ным дифференциальным сопротивлением (рис. 5.4). После переключения вольт-амперная характери-

стика аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении(участок 3). Уча-

сток 1 соответствует закрытому состоянию динистора.

					Динистор характеризуется максимально
IА				допустимым значением прямого тока Imax ,
				при	котором		на	приборе	будет	небольшое
Imax				напряжение Uоткр . Если уменьшать ток че-
	3
				рез прибор, то при некотором значении тока,
I уд				называемом удерживающим током I уд ,							ток
		2		резко уменьшается, а напряжение резко по-
				вышается, т.е. динистор переходит обратно в
Iвкл				закрытое		состояние, соответствующее					уча-
	U откр	1		стку 1. Напряжение между анодом и като-
	U уд		U вкл U АК	дом, при котором происходит переход тири-
				стора в проводящее состояние, называют
Рис. 5.4. Вольт-амперная характеристика динистора				напряжением включения U вкл .
напряжения коллекторный переход П2					При подаче на анод отрицательного
			смещается в прямом направлении,					а эмиттерные переходы в
обратном направлении. В этом случае не возникает условий для открытия динистора и через него
протекает небольшой обратный ток.

5.2. Триодные тиристоры

Триодный тиристор (тринистор) отличается от динистора наличием вывода от одной из баз. Этот вывод называется управляющим электродом (рис. 5.5).

92

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

Если подключить внешний источник U вн так, как

-

Uу

показано на рис. 5.5, то получим,

что p–n-переходы П

УЭ

и П3

1

будут смещены внешним источником в прямом

n2

p2

n1

p1

направлении,

а средний p–n-переход

П2 будет смещен

K

A

в обратном направлении, и во внешней цепи будет про-

текать только исчезающе маленький обратный ток кол-

П1

П2

П3

R

лекторного перехода П2 . Подключим другой внешний

источник U у

(источник управления) между катодом и

-

Uвн

+

управляющим электродом (УЭ). Тогда ток управления,

Рис. 5.5. Структура тиристора

протекающий

под

действием

источника

управления,

при определенной своей величине может привести к

лавинообразному нарастанию тока в полупроводниковой структуре до тех пор, пока он не будет огра-

ничен резистором R в цепи источника питания Uвн . Произойдет процесс включения тиристора.

Для рассмотрения этого явления представим тиристор в виде двух, объединенных в одну схему

транзисторов VT1 и VT 2 (рис. 5.6, а), типа p–n–p и n–p–n, соответственно. Оба транзистора включены

по схеме с общим эмиттером (рис. 5.6, б).

При создании разности по-

тенциалов между анодом (А) и ка-

A

A

тодом (К) в

прямом

направлении

p1

IА

(«+» на аноде, «–» на катоде) оба

VT1

VT1

транзистора

будут

закрыты, так

n1

n1

Iк2

как базовые токи их будут отсутст-

Iк1

вовать.

При

подключении

источ-

УЭ

p2

p2

ника

управления U у

во

входной

+

+

I у

VT 2

цепи

транзистора VT 2

потечет

n2

УЭ

IК

базовый

ток, являющийся

током

VT 2

K

управления

тиристора Iу .

Под

K

действием этого тока в коллектор-

ной цепи транзистора VT 2 потечет

Рис. 5.6. Структура (а) и схема двухтранзисторного эквивалента тиристора (б)

ток Iк2 = b2 I у , где b2 –

коэффи-

циент передачи по току транзистора VT 2 . Но этот ток Iк2

протекает по цепи «эмиттер – база» транзи-

стора VT1 и является его входным, базовым током Iб1 = Iк2 . Под воздействием этого тока Iб1 в вы-

ходной коллекторной цепи транзистора VT1 потечет коллекторный ток:

т.е. коллекторный ток Iк1

Iк1 = b1Iб1 = b1Iк2 = b1b2I У ,

(5.1)

является усиленным в b1b2 раз током управления I у , и протекает ток Iк1

опять по базовой цепи транзистораVT 2 , там,

где протекает и ток

I у . Поскольку Iк1 оказывается

значительно больше тока Iу ,

процесс взаимного усиления транзисторами токов продолжается до тех

пор, пока оба транзистора не войдут в режим насыщения, что соответствует включению тиристора.

Описанный процесс является процессом внутренней положительной обратной связи, под действием

которой и происходит лавинообразное нарастание тока в цепи тиристора.

После того, как тиристор включился, он сам себя поддерживает в открытом состоянии, так как

при условии Iк2 > I у

внутренняя обратная связь остается положительной,

и в этом случае источник

управления уже оказывается ненужным. С учетом (5.1) это условие записывается в виде:

b1b2 I У > I У .	(5.2)
Откуда условие включения тиристора:
b1b2 >1 .	(5.3)

Для того, чтобы выключить тиристор, необходимо прервать ток, протекающий в его силовой цепи, на короткий промежуток времени, достаточный для рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника и восстановления управляющих свойств. Чтобы снова включить тиристор, необходи-

93

	А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций
мо снова пропустить в его цепи управления ток I у , чтобы снова запустить процесс внутренней поло-
жительной обратной связи. Таким образом, тиристор представляет собой бесконтактный ключ, кото-
рый может быть только в двух устойчивых состояниях: либо в выключенном, либо во включенном.
IА				Вольт-амперная характеристика тири-
			стора представлена на рис. 5.7. Чем больше
			ток	управления,		тем	меньше		напряжение
			включения U вкл . Ток управления, при кото-
			ром тиристор переходит на спрямленный
I упр = I у спр	I упр3 > I упр2	I упр2 > 0	участок вольт-амперной характеристики (по-
			казано пунктиром)			называют током управле-
		I упр1 = 0	ния спрямления I у спр .
				При изменении полярности приложен-
Uобр проб			ного к тиристору напряжения, эмиттерные p–
			n-переходы П1 и			П3	будут смещены в об-
	Uвкл3	Uвкл2 U вкл1 U АК
			ратном направлении, тиристор будет закрыт,
Рис.5.7. Вольт-амперная характеристика тринистора			а вольт-амперная характеристика будет пред-
			ставлять		собой		обратную		ветвь	-	вольт
диода.			амперной		характеристики			обыкновенного
Поскольку включение тиристора зависит от тока управления, то в справочной литературе приво-
дят также диаграмму вольт-амперной характеристики управляющей цепи:
		I у = f (U у ).					(5.4)
			Семейство таких характеристик представ-
U у			лено на рис. 5.8.
	1		Обычно в справочниках приводятся пре-
U у доп			дельные характеристики (1 и 2). Кривая 1 со-
			ответствует прибору с максимальным сопро-
		4	тивлением цепи управления и максимально
			допустимой температурой. Кривая 2 – прибору
	3		с минимальным сопротивлением управляющей
			цепи и минимальной температуре. Сверху и
U у min			справа	диаграмма		ограничивается			прямыми,
			соответствующими				предельно		допустимым
		2
			значениям тока и напряжения в цепи управле-
			ния. Внизу диаграммы указывается область,
	Iу min	I у доп I у	которая ограничена минимальными значения-
			ми тока и напряжения, необходимыми для от-
Рис. 5.8. Вольт-амперная характеристика управляющей цепи			пирания тиристоров данного типа. Кроме того,
			на диаграмме обычно приводятся кривые до-
			пустимой мощности на управляющем электро-
де для различных значений длительности управляющих импульсов (кривые 3 и 4).
Таким образом, тиристор представляет собой частично управляемый вентиль, который можно
перевести в проводящее состояние при наличии одновременно двух факторов: положительный по-
тенциал анода относительно катода; подача управляющего сигнала в виде тока управления в цепи
управляющего электрода. Если хотя бы один из этих факторов отсутствует, то тиристор будет оста-
ваться в закрытом состоянии.
Частичная управляемость тиристора заключается в том, что после включения тиристора, цепь
управления становится ненужной, так как он сам себя поддерживает во включенном состоянии. Вы-
ключить обычный тиристор по цепи управления невозможно. Поэтому он называется однооперацион-
ным тиристором или в зарубежной терминологии SCR (Silicon Controlled Rectifier). Для запирания ти-
ристора необходимо каким-либо способом снизить анодный ток до нуля и удерживать его на нулевом
уровне в течение времени рассасывания неосновных носителей, накопившихся в базах транзисторов
VT1 и VT 2 .
			94

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

На электрических принципиальных схемах незапираемые тиристоры обозначаются условными графическими обозначениями, представленными на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Условные обозначения незапираемых тринисторов с управлением по аноду (а), с управлением по катоду (б)

5.2.1. Способы запирания тиристоров

Как уже было показано выше, после включения тиристора он сам себя поддерживает во включенном состоянии за счет внутренней положительной обратной связи, а цепь управления становится неэффективной. Для выключения тиристора нужно каким-либо способом снизить его прямой ток до нуля на некоторый промежуток времени, определенный временем рассасывания неосновных носителей. Это в основном и отличает тиристор-прибор с частичной, неполной управляемостью от, например, транзистора – полностью управляемого прибора, который можно и включить и выключить по цепи управления (базовой цепи).

Выключение проводящего ток тиристора можно осуществлять различными способами. Проще всего выключать тиристор, если он работает в цепи переменного тока. Тогда под действием переменного напряжения питающей сети ток тиристора сам снижается до нуля и происходит его выключение (коммутация). Такой способ коммутации получил название естественной и широко применяется в силовых преобразовательных устройствах переменного тока. Сложнее обстоит дело в цепях постоянного тока.

Там необходимы специальные устройства, обеспечивающие принудительное выключение тиристора в нужный момент времени. Такие устройства называют узлами принудительной коммутации или просто коммутационными узлами. В основе построения коммутационных узлов лежат следующие способы:

1.Создание искусственных колебаний тока в цепи тиристора, например, введением в его цепь колебательных LC -контуров (последовательных или параллельных) (рис. 5.10, а, б). Тиристор закрывается в момент перехода через нуль тока в колебательном контуре.

2.Выключение тиристора путем изменения полярности напряжения между катодом и анодом. Для этого используют предварительно заряженный конденсатор C , который в нужный момент времени подключают между анодом и катодом тиристора в запирающей полярности(рис. 5.10, в) путем замыкания ключа K . Существует большое количество схем различных коммутационных узлов, использующих данный способ запирания тиристоров.

3.Запирание тиристора

путем введения в его цепь про-

R1

VS

R

тивоЭДС, под действием кото-

L

рой прямой ток тиристора сни-

VS

L

зится до нуля (рис. 5.10, г). Это

С

можно осуществить при помо-

R2

С

щи генератора импульсов ГИ ,

подключаемого

через

транс-

форматор

T

в

силовую

цепь

а

б

тиристора. В нужный момент

Rн

K

времени

генератор

формирует

K

VS

+

импульс

напряжения,

который

-С

T

-

наводит во

вторичной

обмотке

ЕК

трансформатора импульс с по-

VS

+

VS

+

ГИ

+

лярностью,

встречной

по

-от

-

-

Rн

ношению

к

тиристору, что

приведет

к

снижению

прямого

в

г

д

тока тиристора до нуля.

Рис.5.10.

Схемы запирания тиристоров

95

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

4. Подключение параллельно тиристору источника коммутирующей ЭДС(рис. 5.10, д). Выключение тиристора осуществляется замыканием в нужный момент времени ключаK на короткий промежуток времени, определяемый временем рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника.

Описанными способами удается придать тиристору свойства полностью управляемого вентиля.

5.2.2Запираемые тиристоры

Внастоящее время разработаны новые типы тиристоров, так называемые двухоперационные тиристоры или запираемые тиристоры. Они являются полностью управляемыми полупроводниковыми приборами, которые можно и включить и выключить по цепи управления. Такой тиристор в зарубежной терминологии получил обозначениеGTO-тиристор (Gate Torn – Off). Это достигается благодаря тому, что в областях анода и катода такой прибор состоит из большого числа технологических ячеек, представляющих отдельные тиристоры, которые включены параллельно.

Структура

запираемого

тиристора

изображена

на

A

A

IА

рис. 5.11. Физические

про-

p+

n+

p+

n+

p+

n+

p+

цессы, протекающие в запи-

n-

VT1

Iк2

раемых

тиристорах, во

мно-

гом аналогичны уже рассмот-

Iк1

ренным

для

однооперацион-

p

+ (-)

VT 2

ного

тиристора.

Исключение

УЭ

n+

n+

n+

УЭ I у

составляет процесс выключе-

IК

ния

отрицательным

током

K

управления. Во

включенном

K

состоянии все переходы -ти

ристора находятся в состоя-

Структура запираемого тиристора (а)

нии

насыщения.

При

доста-

Рис. 5.11.

и двухтранзисторный эквивалент (б) одной из ячеек тиристора

точной величине и длитель-

ности управляющего тока, а

также равномерности его распределения по всем ячейкам, избыточная концентрация неосновных носи-

телей заряда сначала снижается до нуля вблизи коллекторного перехода тиристора. При этом коллек-

торный переход смещается в обратном направлении, воспринимая часть внешнего напряжения. Так,

оба транзистора начинают работать в активном режиме и в структуре возникает положительная обрат-

ная связь при отрицательном базовом токе в n–p–n-транзисторе

VT2. Вследствие

лавинообразного

уменьшения зарядов в базовых областях анодный ток начинает снижаться. Транзистор VT2 n–p–n-типа первый входит в режим отсечки. Действие положительной обратной связи прекращается, и дальней-

ший спад анодного тока определяется рекомбинацией в n- базе тиристора.

Вольт-амперная характеристика запираемого тиристора аналогична характеристике незапираемого тиристора (рис. 5.12). На электрических принципиальных схемах запираемые тиристоры обозначаются условными обозначениями, представленными на рис. 5.13.

IА

Iупр = Iу спр

I упр3 > I упр2

I упр2

> 0

Uобр проб

I упр1 = 0

U вкл3

U вкл2

U вкл1 U АК

Вольт-амперная характеристика

Условные обозначения запираемых тринисторов

Рис.5.12.

Рис. 5.13.

двухоперационного тиристора

с управлением по аноду (а), с управлением по катоду (б)

96

		А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций
		5.3. Симметричные тиристоры
Широкое применение в цепях переменного тока получили так называемыесимисторы (симмет-
ричные тиристоры), которые выполняются				на	основе	многослойной			полупроводниковой	структуры
(рис. 5.14, а).
Основой в симисторе является моно-								УЭ
кристалл полупроводника, в котором соз-						П1	П2
даны, пять областей с чередующимся -ти					n1
пом проводимости, которые образуют че-									-
тыре p–n-перехода. Контакты от			крайних		+	p1	n2	p2
областей наполовину шунтируют первый и					(-)				(+)
четвертый p–n-переходы. При полярности
внешнего	источника	напряжения,	указан-						n3

ной без скобок, переход							П1	окажется		П3 П4
включенным в обратном направлении и ток
через него будет исчезающе мал. Весь ток										Рис. 5.14. Структура симистора (а)
через	полупроводниковую						структуру		при	и его условное графическое обозначение (б)
такой полярности источника будет проте-
кать через область p1 . Четвертый переход П4										будет включен в прямом направлении и через него бу-
дет проходить инжекция электронов. Значит, при данной полярности источника рабочая структура си-
мистора представляет собой p1 - n2 - p2 - n3 -структуру, аналогичную структуре обычного тиристо-
ра, работа которого уже была рассмотрена выше. При смене полярности на противоположную (указана
в скобках) уже будет закрыт переход П4 , а переход П1 будет открыт. Структура симистора становит-
ся n1 - p1 - n2 - p2 , то есть опять аналогична структуре обычного тиристора, но направленного в про-
тивоположную сторону. Таким образом, в схемном отношении симистор можно представить в виде
двух встречно-параллельных тиристоров.
	Симистор имеет вольт-амперную характеристику, симметричную относительно начала коорди-
нат (рис. 5.15), что и нашло отражение в его названии.
Выводы:
1.	Тиристор			представляет				со-
бой	полупроводниковый							прибор,		IА
который используется для переклю-
чения в электрических цепях. Для
тиристора характерны два устойчи-
вых состояния: открытое и закрытое.										Iу = Iу спр I у2	Iу1
2.	При		открытии				тиристора
происходит		компенсация				обратного					Iу = 0
напряжения на среднем(коллектор-
ном) переходе за счёт накопления
избыточных			зарядов,		смещающих						UАК
переход в прямом направлении.
3.	В		тринисторе			происходит
открытие прибора за счёт подачи
небольшого управляющего тока.
4. Симистор – прибор, который
имеет одинаковые вольт-амперные
характеристики при различных по-									Рис. 5.15. Вольт-амперная характеристика симистора
лярностях		приложенного					напряже-
ния.
							5.4. Основные параметры тиристоров

Силовые тиристоры характеризуются параметрами, аналогичными тем, которые рассматривались выше для силовых диодов. Но, кроме того, в технических условиях приводятся параметры цепи

97

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

управления тиристоров, а также дополнительные параметры, характеризующие силовую цепь тиристора:

1. Напряжение переключения: постоянное – U прк , импульсное – U прк и (десятки – сотни вольт).

2.Напряжение в открытом состоянииUос – падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии (1K3 В).

3.Обратное напряжение Uобр – напряжение, при котором тиристор может работать длитель-

ное время без нарушения его работоспособности (единицы – тысячи вольт).

4. Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии U зс – максимальное значение пря-

мого напряжения, при котором не происходит включение тиристора (единицы – сотни вольт).

5. Неотпирающее напряжение на управляющем электродеU у нот – наибольшее напряжение,

не вызывающее отпирание тиристора (доли вольт).

6. Запирающее напряжение на управляющем электродеU уз – напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы – десятки вольт).

7.Ток в открытом состоянии Iос – максимальное значение тока открытого тиристора(сотни миллиампер – сотни ампер).

8.Обратный ток Iобр (доли миллиампер).

9.Отпирающий ток I у от – наименьший ток управляющего электрода, необходимый для

включения тиристора (десятки миллиампер).

10. Ток утечки I ут – это ток, протекающий через тиристор с разомкнутой цепью управления при прямом напряжении между анодом и катодом.

11. Ток удержания I уд – минимальный прямой ток, проходящий через тиристор при разомкну-

той цепи управления, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии.

12. Время включения tвкл – это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения напряжения UАК тиристора до 10 % от начального значения при работе на активную нагрузку (единицы – десятки микросекунд).

13. Время выключения tвыкл , называемое также временем восстановления управляющей спо-

собности тиристора. Это время от момента, когда прямой ток тиристора становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать прямое напряжение между анодом и катодом. Это время в основном определяется временем рассасывания неосновных носителей в зонах -по лупроводника (десятки – сотни микросекунд).

5.5. Применение тиристоров

Силовые тиристоры получили широкое применение в различных областях силовой электроники благодаря своим управляющим свойствам.

В первую очередь это касается устройств преобразовательной техники, таких, как управляемые выпрямители, регуляторы напряжения и др. Рассмотрим наиболее характерные примеры их применения.

5.5.1. Управляемые выпрямители

Простейшей схемой управляемого выпрямителя является однофазная однополупериодная схема (рис. 5.16, а). Эта схема идентична схеме на рис. 2.24, c той лишь разницей, что вместо неуправляемого силового вентиля VD здесь используется тиристор VS – прибор с частичной управляемостью.

На интервале ( 0Kp ) полярность ЭДC e2 = 2E2 sin q на вторичной обмотке трансформатора такая, как показана на рис. 5.16, б.

По отношению к тиристору VS это прямая полярность, но в отличие от обычного диода тиристор может включиться только при подаче на его управляющий электрод сигнала управления от

98

		А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций
					e2
					p	2p
		VS			a	a	q
	T
					id
	+ (-)
u	e	I d	R	U	d
1	2		d				q
	- (+)				ud
							q
Рис. 5.16. Схема (а)		и временные диаграммы (б) управляемого выпрямителя
управляющего устройства – системы управления (СУ). До поступления сигнала тиристор будет нахо-
диться в закрытом состоянии и тока пропускать не будет, несмотря на то, что к его аноду приложен
положительный потенциал относительно катода. Пусть сигнал управления поступит от системы
управления на тиристор в точке q1,				со сдвигом на угол a относительно начала координат, и начнет
проводить ток нагрузки (рис. 5.17, г)

	id =	e2	=	2E2	sin q .	(5.5)
		Rd		Rd

Падение напряжения на нагрузке при этом будет равно:

ud =i d Rd = 2E2 sin q.

(5.6)

В точке p полярность e2 изменится на противоположную и тиристор закроется(естественная коммутация), так как по отношению к нему эта полярность будет обратной, запирающей. На интервале ( pK2p ) тиристор открываться не может. В точке 2p полярность снова станет прямой, по отношению к тиристору, но он откроется только в точке( 2p + a ), когда снова поступит сигнал управления и т.д.

Постоянную составляющую напряжения на нагрузке (выпрямленного напряжения) найдем, как

	1	p					E2	(1+ cos a).
U d =				E2 sin qdq =		2			(5.7)
			2
	2p ò
						2p
		a

Если менять угол a в пределах от 0 до p, то получим:

	U d max = U d		=	2 2E2			= 0,45E2 , U d min = U d	= 0 .
		a = 0		2p
								a = p
	То есть, меняя угол a от 0	до p,	изменяем постоянную составляющую выпрямленного на-

пряжения в пределах от U d max = 0,45E2 до 0 .

Угол a называется углом управления.

По этому же принципу осуществляется регулирование выпрямленного напряжения во всех других рассмотренных ранее схемах выпрямления, если вместо обычных силовых диодов у них использовать управляемые вентили – тиристоры.

5.5.2. Регуляторы переменного напряжения

Для регулирования переменного напряжения в нагрузке широкое применение получили тиристорные регуляторы. Простейшая схема такого регулятора приведена на рис. 5.17, а. Два тиристора VS1 и VS 2 включены встречно-параллельно в цепь нагрузки zн . Каждый тиристор работает на своём полупериоде (положительном или отрицательном). Причём открываются они с углом управления a (рис. 5.17, б), а закрываются в момент перехода тока нагрузки через нуль. Регулируя угол a , можно регулировать напряжение Uн в широких пределах от U н max = U с до U н min = 0 .

99

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

Uн	Uн
	Uн(1)
	q
	Uc

Рис. 5.17. Схема (а) и временные диаграммы (б) регулятора переменного напряжения

Однако такой способ регулирования сильно искажает форму кривой напряжения и изменяет фазу его первой гармоники.

Поэтому в ряде случаев более предпочтительными могут оказаться импульсные регуляторы переменного напряжения, простейшая схема которого представлена на рис. 5.18.

Здесь в цепь нагрузки zн включена последовательно обмотка w2 высокочастотного трансфор-

матора T , которая периодически замыкается накоротко ключом K1, а первичная обмотка w1 периодически подключается ключом K 2 на напряжение питающей сети U c . Ключи K1 и K 2 работают с основной частотой fK >> fc , причём работают они в противофазе рис. 5.19.

Uс , Uн

Uс

Uн ср

Uс - e2

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7

t

Схема импульсного регулятора напряжения

Временные диаграммы,

Рис. 5.18.

Рис. 5.19.

иллюстрирующие работу импульсного регулятора напряжения

Пусть на интервале ( 0Kt1 ) ключ K1 разомкнут, а K 2 – замкнут. Тогда обмотка w1 трансфор-

матора будет подключена ключомK 2 на

напряжение питающей сетиUc .

Полагая полупериод

( 0K

T

) положительным, обозначим полярность его на рис. 5.18 без скобок. Напряжение на вторич-

2

ной обмотке трансформатора будет

Ucw2

Uc

e =

=

,

(5.8)

2

w1

kтр

где w1 = kтр – коэффициент трансформации трансформатора.
w2
Причём полярность ЭДС e2 будет такой, как указано на рис. 5.18 без скобок. По отношению к
напряжению U c она будет встречной и поэтому напряжение на нагрузке Uн	будет равно:
U н = Uc - e2 .	(5.9)

На интервале ( t1 Kt2 ) ключ K1 замкнут, а K 2 – разомкнут. Первичная обмотка трансформатора отключена от питающей сети, а вторичная замкнута накоротко ключомK1. Поэтому на этом интервале

	Uн = Uc .	(5.10).

Далее процессы повторяются.

100