Микроэлектроники
 Скачать 1.83 Mb.
|
|
1.4.5. Параметры тиристоров Ряд параметров мощных тиристоров аналогичен параметрам выпрямительных диодов, но имеется много дополнительных параметров. Разобьем параметры тиристоров на группы. Параметры силовой цепи потоку максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток, определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном токе с частотой 50 Гц, угле проводимости, допустимой температуре кристалла или корпуса и заданных условиях охлаждения. Таким образом, он определяется также, как и у диода. Предельный ток достигает 2 кА. Допустимый ток тиристора, при условиях несоответствующих указанным выше, зависит отряда факторов частоты, угла проводимости, температуры охлаждающей среды и скорости охлаждающего воздуха. Зависимость допустимого тока TAV I от частоты в относительных единицах ( ) f K i Ψ = представлена на риса, где. С ростом частоты ток TAV I уменьшается т.к. растут коммутационные потери. С уменьшением частоты ниже 50 Гц ток TAV I падает из-за больших колебаний температуры кристалла pn θ , превышающих допустимую температуру доп, так как при той же максимальной температуре должна быть уменьшена средняя (сравните риса и б. Зависимость допустимого тока TAV I от угла проводимости в относительных единицах ( ) λ f K i = представлена на рис. 1.34, б. С уменьшением угла проводимости растет коэффициент формы тока, поэтому при сохранении действующего значения тока снижается его среднее значение. а) Рис. 1.34. Зависимость допустимого тока в относительных единицах от различных факторов частоты (а угла проводимости (б температуры окружающей среды (в) и скорости охлаждающего воздуха (г) в) б) г) Зависимость допустимого тока TAV I от температуры окружающей среды в относительных единицах представлена на рис. 1.34, в. Зависимость допустимого тока TAV I от скорости охлаждающего воздуха в относительных единицах ( ) V f K i = представлена на рис. 1.34, г. При отсутствии принудительного охлаждения воздух продолжает двигаться из-за конвекции. Эта точка на графике помечена е.о. (естественное охлаждение. 2) TSM I – ударный ток – максимально допустимая амплитуда импульса аварийного тока синусоидальной формы длительностью 10 мс. Этот ток враз превышает предельный ток. Но так как предельный ток – это среднее значение, то амплитудное значение предельного тока превышается лишь враз максимально допустимое значение интеграла аварийного тока повремени, обычно за время полупериода промышленной частоты. Оно определяет энергию, которая может выделиться в тиристоре без его разрушения. Параметры силовой цепи по напряжению. 1) RRM U и DRM U – повторяющееся импульсное напряжение в обратном и прямом направлении – максимальное напряжение, которое каждый период может прикладываться к тиристору риса б) а) Рис. 1.35. Диаграммы тока и температуры кристалла при 50 = f Гц (аи при 1 = f Гц (б) где напряжение лавинного пробоя BO U – напряжение переключения тиристора. В современных тиристорах повторяющееся импульсное напряжение достигает 4 кВ. Как и у диодов, оно определяет класс тиристора 2) RSM U и DSM U – неповторяющиеся импульсные напряжения в обратном и прямом направлениях, которые редко могут прикладываться к тиристору риса и U DWM – рабочие напряжения (риса, которые следует использовать в расчетах. (составляют 70% от U RRM или DRM U ); 4) TM U – импульсное напряжение в открытом состоянии при протекании предельного тока (В Рис. Параметры по напряжению на ВАХ тиристора в запертом (аи открытом (б) состоянии 47 5) ) (TO T U – пороговое напряжение тиристора (рис. 1.36, б, а также его дифференциальное прямое сопротивление r т Динамические параметры тиристора ВКЛ t , q t , dt di a , определены при описании переходных процессов в тиристоре. Параметры цепи управления ДОП У U , ДОП У I , ДОП У P определены при описании диаграммы управления. Примечание. В индексах используются первые буквы английских слов, приведенные в па также W (working) – работа. 1.4.6. Разновидности тиристоров Кроме описанных тиристоров существуют их разновидности. Тиристоры без управляющего электрода называются динисторами. Они включаются при превышении анодным напряжением определенной величины. Это слаботочные приборы. На риса приведено их условное обозначение. Тиристоры, которые могут пропускать и не пропускать ток в обоих направлениях, называются симметричными или симисторами Их условное обозначение приведено на рис. 1.37, б, а вольтамперная характеристика приведена на риса. Они применяются для управления в цепях переменного тока. Рис. 1.38, б иллюстрируют, как для регулирования переменного тока можно применить встречнопараллельно включенные тиристоры. Вместо них можно включить один симистор. Существуют тиристоры, которые можно выключать, подавая на управляющий электрод запирающее напряжение. Такие тиристоры называются запираемыми. На рис. 1.37, в приведено их условное обозначение. Возможность выключения – это большое преимущество запираемых тиристоров, но они имеют и существенный недостаток – их коэффициент усиления потоку при выключении не превышает 3...4 (например, если тиристор пропускает ток А, то для его выключения на управляющий электрод надо подать короткий импульс амплитудой А. а) б) в) Рис. 1.37. Условные обозначения динистора (а, симистора б) и запираемого тиристора (в) В настоящее время тиристоры являются основными приборами в мощных преобразователях электрической энергии, особенно, в преобразователях связанных с сетью переменного тока. Они применяются в управляемых выпрямителях, инверторах (преобразователях постоянного тока в переменный, коммутационной аппаратуре. Контрольные вопросы 1. Устройство и принцип действия тиристора. Нарисуйте схему простейшего однополупериодного управляемого выпрямителя. Сравните тиристоры и транзисторы по возможностям управления и области применения. Постройте временные диаграммы токов и напряжений в однополупериодном управляемом выпрямителе. Объясните вид анодной ВАХ тиристора. Каково назначение диаграммы управления и как ею пользоваться Отчего и как зависит переходный процесс при включении тиристора Как протекает процесс выключения тиристора Почему напряжение на тиристоре не может нарастать слишком быстро б) а) Рис. 1.38.ВАХ симистора (аи схема включения тиристоров, реализующая такую ВАХ (б) 49 1.5. Фотоэлектронные приборы Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую. Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте – возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС. К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Фоторезистор – это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рис. 1.39 показана схема включения фоторезистора и его характеристики. Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, те. зависимостью фототока Ф , протекающего через прибор от светового потока Ф . Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока. а) б) в) Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами. Рис. 1.39. Схема включения фоторезистора (а его световая (б) и вольтамперная характеристики (в) Фотодиод – это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переходи имеющий два вывода. Фотодиоды могут работать в двух режимах без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником режим фотопреобразователя. На риса, б показаны эти схемы включения. При освещении фотодиода в режиме фотогенератора на его выводах появляется фото-ЭДС с полярностью слева «+», справа «–». При подключении сопротивления нагрузки под действием ЭДС по нему идет фототок. Именно в таком режиме работают солнечные батареи. В режиме фотопреобразователя через p-n переход протекает обратный ток, зависящий от светового потока, определяющего число неосновных Рис. 1.40. Схемы включения фотодиода в режиме фотогенератора аи фотопреобразователя (б его световая (в) и вольтамперная (г) характеристики носителей. Световая характеристика в режиме фотопреобразователя рис. 1.40, в) линейна и выражается уравнением ФТ Ф I Ф К I + ⋅ = , (1.14) где К – чувствительность (до 20 мА/лм), I ФТ – темновой ток (начальный ток в темноте. ВАХ фотодиода в темноте не отличаются от ВАХ p-n перехода (см. рис. 1.40 га при освещении опускается вниз. Режиму фотопреобразователя соответствуют участки в третьем квадранте, а режиму фотогене- ратора – в четвертом. Фотодиоды имеют большее быстродействие, чем фоторезисторы работоспособны при частоте 1 гГц и выше, но менее чувствительны. С целью повышения чувствительности вместо фотодиодов применяют фототранзисторы. Фототранзистор – фотоэлектронный прибор, имеющий трехслойную структуру, как обычный транзистор, в котором ток зависит от освещения базы. Схема включения фототранзистора показана на рис. 1.41. Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, нов качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры. Фототиристор – фотоэлектронный прибор, имеющий четырехслойную структуру, как обычный тиристор, но управляемый световыми импульсами. При освещении тиристора он включается. Контрольные вопросы 1. Принципы действия фотоэлектронных приборов. Схемы включения и применение фотоэлектронных приборов. Режимы работы фотодиода. Объясните вид ВАХ фотодиода. Рис. 1.41. Схема включения фототранзистора 52 1.6. Полупроводниковые излучатели В качестве полупроводниковых излучателей света используются светоизлучающие диоды (светодиоды. Принцип действия светодиодов основан на излучении квантов света при прямом токе вследствие рекомбинации носителей заряда. Цвет излучения определяется материалом, из которого сделан фотодиод. Индикаторы на фотодиодах бывают точечные и знаковые (отображающие цифры и буквы. Знаковые содержат диодную матрицу (несколько диодов с объединенным одним выводом. Светодиоды работают при напряжении 2...5 В и токе до 40 мА на один диод. Они имеют весьма низкий КПД. На рис. 1.42 приведена схема включения светодиода и его яркостная характеристика – зависимость яркости B оттока Основное применение светодиодов – устройства индикации. Контрольные вопросы 1. Принцип действия светодиода. Схема включения и применение светодиодов. 1.7. Оптоэлектронные приборы Оптоэлектронные приборы (оптроны) – приборы с двойным преобразованием энергии, обеспечивающие потенциальную развязку между двумя электрическими цепями (рис. 1.43). а) б) Рис.1.42. Схема включения фотодиода (аи его яркостная характеристика (б) Оптрон состоит из источника и приемника излучения. В качестве источника используется светодиода в качестве приемника могут быть применены фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор Диодные и транзисторные оптроны характеризуются коэффициентом передачи тока. У диодных оптронов он составляет 0,01...0,03, ау транзисторных – 5...10. Оптроны широко применяются в вычислительной технике ив автоматике. Тиристорные оптроны (оптотиристоры) значительно упрощают построение систем управления полупроводниковых преобразователей электроэнергии. Контрольные вопросы 1. Принципы действия оптоэлектронных приборов. Основное назначение оптоэлектронных приборов. Объясните вид ВАХ оптоэлектронных приборов. Рис. 1.43. Условные обозначения оптронов а) рези- сторного; б) диодного в) транзисторного г) тиристорного. Терморезисторы Терморезистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от температуры. Принцип действия терморезистора основан на увеличении числа свободных носителей при повышении температуры полупроводника. Схема включения терморезистора для измерения температуры и его температурная характеристика приведены на рис. 1.44. С ростом температуры сопротивление терморезистора (термистора) падает. Терморезисторы используются в диапазоне температур до 200 С. Их недостаток – большой разброс характеристик. Контрольные вопросы 1. Принцип действия терморезистора. Схема включения и применение терморезисторов. 1.9. Элементы микроэлектроники Микроэлектроника – область электроники, изучающая вопросы создания и применения микроэлектронных изделий. Микроэлектронное изделие – электронное устройство с высокой степенью интеграции. Интегральная микросхема (ИМС) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки элементов (активных и пассивных, изготовленное в едином технологическом процессе и заключенное в общий корпус. Активные элементы – транзисторы, диоды пассивные – резисторы, конденсаторы. Рис. 1.44. Схема включения терморезистора (аи его температурная характеристика баб Элемент ИМС – часть микросхемы, реализующая функцию элек- тро-радиоэлемента, которая выполнена нераздельно от кристалла и не может быть выделена как самостоятельное изделие. Компонент ИМС – часть микросхемы, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Серия ИМС – совокупность типов ИМС, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. ИМС классифицируются по различным принципам. 1. По технологии ИМС делятся на а) полупроводниковые микросхемы, все элементы и соединения в которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводника б) пленочные микросхемы, все элементы и соединения в которых выполнены в виде пленок (толстопленочные и тонкопленочные в) гибридные микросхемы содержат, кроме элементов, компоненты и кристаллы. Полупроводниковая ИМС представляет собой кристалл полупроводника, непосредственно в котором за счет введения примесей формируются элементы схемы. В нем создаются и активные и пассивные элементы. В пленочной схеме на поверхность диэлектрика наносятся проводящие и непроводящие пленки, что позволяет формировать только пассивные элементы. Гибридная ИМС создается путем присоединения активных элементов, компонентов и кристаллов к пленочной схеме. 2. По степени интеграции (количеству элементов водном корпусе) ИМС делятся на : а) схемы малой интеграции (до 100 элементов б) схемы средней интеграции (100...1000 элементов в) схемы большой интеграции (1000...100000 элементов г) сверхбольшие интегральные схемы (свыше 100000 элементов. 3. По выполняемым функциям ИМС делятся на а) аналоговые интегральные микросхемы (АИМС); б) цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС). Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В них любому допустимому значению входного сигнала соответствует определенное значение выходного. К АИМС относятся линейные ИМС. В них входной и выходной сигналы связаны коэффициентом передачи. Цифровые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, те. сигналов, которые могут принимать только два значения, условно называемые 0 и 1. К ЦИМС относятся и логические микросхемы. Устройство ИМС рассматривается в следующей главе. Контрольные вопросы Что такое ИМС? Что такое серия ИМС? Как классифицируются ИМС? 1.10. Гибридные силовые схемы При создании силовой части преобразователей полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, тиристоры) соединяются между собой по определенным схемам. Как альтернатива дискретным приборами схемам с внешними по отношению к приборам соединениями, появились гибридные силовые модули, совмещающие водном корпусе несколько силовых ключей и различные вспомогательные элементы. Применение гибридных силовых модулей упрощает конструкции преобразователей и повышает надежность его работы. Существуют выпрямительные диодные модули, содержащие 2, 4 и 6 диодов, соединенных по схемам два последовательно соединенных диода, однофазный мост, трехфазный мост. По таким же схемам соединяют транзисторно-диодные ключи, содержащие транзисторы с встречнопараллельно соединенными диодами. Эти схемы применяются в автономных инверторах, преобразующих постоянный ток в переменный, ив преобразователях постоянного тока, преобразующих величину постоянного напряжения. Мощность таких модулей достигает 1000 кВт. Для преобразователей частоты выпускаются модули, содержащие комбинацию диодного моста и моста на транзисторах. Они выполняются на мощности до 30 кВт. Такие модули могут дополняться температурным датчиком, датчиком тока и цепями защиты. Существуют специальные микросхемы (драйверы) предназначенные для управления силовыми ключами. Дальнейшим развитием гибридных силовых модулей является введение в них цепей управления. Такие модули называют интеллектуальными модулями. Интеграция микропроцессоров и силовых модулей позволяет создавать схемы, непосредственно управляющие маломощными двигателями постоянного и переменного тока. При необходимости мощность электроприводов может быть увеличена за счет применения промежуточных драйверов и мощных силовых ключей. Контрольные вопросы Каковы тенденции интеграции силовых приборов Что такое гибридный силовой модуль |