Диод – электронный прибор с двумя (иногда тремя) электродами, обладающий односторонней проводимостью. Электрод, подключенный к положительному полюсу прибора, называют анодом, к отрицательному – катодом.
Если к прибору приложено прямое напряжение, то он находится в открытом состоянии, при котором сопротивление мало, а ток протекает беспрепятственно. Если прикладывается обратное напряжение, прибор, благодаря высокому сопротивлению, является закрытым.
Обратный ток присутствует, но он настолько мал, что условно принимается равным нулю.
Содержание статьи
Диоды делятся на большие группы – неполупроводниковые и полупроводниковые.
Неполупроводниковые
Одной из наиболее давних разновидностей являются ламповые (электровакуумные) диоды. Они представляют собой радиолампы с двумя электродами, один из которых нагревается нитью накала. В открытом состоянии с поверхности нагреваемого катода заряды движутся к аноду. При противоположном направлении поля прибор переходит в закрытую позицию и ток практически не пропускает.
Еще одни вид неполупроводниковых приборов – газонаполненные, из которых сегодня используются только модели с дуговым разрядом. Газотроны (приборы с термокатодами) наполняются инертными газами, ртутными парами или парами других металлов. Специальные оксидные аноды, используемые в газонаполненных диодах, способны выдерживать высокие нагрузки по току.
Полупроводниковые
В основе полупроводниковых приборов лежит принцип p-n перехода. Существует два типа полупроводников – p-типа и n-типа. Для полупроводников p-типа характерен избыток положительных зарядов, n-типа – избыток отрицательных зарядов (электронов).
Если полупроводники этих двух типов находятся рядом, то возле разделяющей их границы располагаются две узкие заряженные области, которые называются p-n переходом. Такой прибор с двумя типами полупроводников с разной примесной проводимостью (или полупроводника и металла) и p-n-переходом называется полупроводниковым диодом.
Именно полупроводниковые диодные устройства наиболее востребованы в современных аппаратах различного назначения. Для разных областей применения разработано множество модификаций таких приборов.
Полупроводниковые диоды
Виды диодов по размеру перехода
По размерам и характеру p-n перехода различают три вида приборов – плоскостные, точечные и микросплавные.
Плоскостные детали представляют одну полупроводниковую пластину, в которой имеются две области с различной примесной проводимостью. Наиболее популярны изделия из германия и кремния.
Преимущества таких моделей – возможность эксплуатации при значительных прямых токах, в условиях высокой влажности. Из-за высокой барьерной емкости они могут работать только с низкими частотами.
Их главные области применения – выпрямители переменного тока, устанавливаемые в блоках питания. Эти модели называются выпрямительными.
Точечные диоды имеют крайне малую площадь p-n перехода и приспособлены для работы с малыми токами. Называются высокочастотными, поскольку используются в основном для преобразования модулированных колебаний значительной частоты.
Микросплавные модели получают путем сплавления монокристаллов полупроводников p-типа и n-типа. По принципу действия такие приборы – плоскостные, но по характеристикам они аналогичны точечным.
Материалы для изготовления диодов
При производстве диодов используются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия, селен. Наиболее распространенными являются первые три материала.
Очищенный кремний – относительно недорогой и простой в обработке материал, имеющий наиболее широкое распространение. Кремниевые диоды являются прекрасными моделями общего назначения. Их напряжение смещения – 0,7 В.
В германиевых диодах эта величина составляет 0,3 В. Германий – более редкий и дорогой материал.
Поэтому германиевые приборы используются в тех случаях, когда кремниевые устройства не могут эффективно справиться с технической задачей, например в маломощных и прецизионных электроцепях.
Виды диодов по частотному диапазону
По рабочей частоте диоды делятся на:
- Низкочастотные – до 1 кГц.
- Высокочастотные и сверхвысокочастотные – до 600 мГц. На таких частотах в основном используются устройства точечного исполнения. Емкость перехода должна быть невысокой – не более 1-2 пФ. Эффективны в широком диапазоне частот, в том числе низкочастотном, поэтому являются универсальными.
- Импульсные диоды используются в цепях, в которых принципиальным фактором является высокое быстродействие. По технологии изготовления такие модели разделяют на точечные, сплавные, сварные, диффузные.
Области применения диодов
Современные производители предлагают широкий ассортимент диодов, адаптированных для конкретных областей применения.
Выпрямительные диоды
Эти устройства служат для выпрямления синусоиды переменного тока. Их принцип действия основывается на свойстве устройства переходить в закрытое состояние при обратном смещении.
В результате работы диодного прибора происходит срезание отрицательных полуволн синусоиды тока.
По мощности рассеивания, которая зависит от наибольшего разрешенного прямого тока, выпрямительные диоды делят на три типа – маломощные, средней мощности, мощные.
- Слаботочные диоды могут использоваться в цепях, в которых величина тока не превышает 0,3 А. Изделия отличаются малой массой и компактными габаритами, поскольку их корпус изготавливается из полимерных материалов.
- Диоды средней мощности могут работать в диапазоне токов 0,3-10,0 А. В большинстве случаев они имеют металлический корпус и жесткие выводы. Производят их в основном из очищенного кремния. Со стороны катода изготавливается резьба для фиксации на теплоотводящем радиаторе.
- Мощные (силовые) диоды работают в цепях с током более 10 А. Их корпусы изготавливают из металлокерамики и металлостекла. Конструктивное исполнение – штыревое или таблеточное. Производители предлагают модели, рассчитанные на токи до 100 000 А и напряжение до 6 кВ. Изготавливаются в основном из кремния.
Диодные детекторы
Такие устройства получают комбинацией в схеме диодов с конденсаторами. Они предназначены для выделения низких частот из модулированных сигналов. Присутствуют в большинстве аппаратов бытового применения – радиоприемниках и телевизорах. В качестве детекторов излучения используются фотодиоды, преобразующие свет, попадающий на светочувствительную область, в электрический сигнал.
Ограничительные устройства
Защиту от перегруза обеспечивает цепочка из нескольких диодов, которые подключают к питающим шинам в обратном направлении. При соблюдении стандартного рабочего режима все диоды закрыты. Однако при выходе напряжения сверх допустимого назначения срабатывает один из защитных элементов.
Диодные переключатели
Переключатели, представляющие собой комбинацию диодов, которые применяются для мгновенного изменения высокочастотных сигналов. Такая система управляется постоянным электрическим током. Высокочастотный и управляющие сигналы разделяют с помощью конденсаторов и индуктивностей.
Диодная искрозащита
Эффективную искрозащиту создают с помощью комбинирования шунт-диодного барьера, ограничивающего напряжение, с токоограничительными резисторами.
Параметрические диоды
Используются в параметрических усилителях, которые являются подвидом резонансных регенеративных усилителей.
Принцип работы основан на физическом эффекте, который заключается в том, что при поступлении на нелинейную емкость разночастотных сигналов часть мощности одного сигнала можно направить на рост мощности другого сигнала. Элементом, предназначенным для содержания нелинейной емкости, и является параметрический диод.
Смесительные диоды
Смесительные устройства используются для трансформации сверхвысокочастотных сигналов в сигналы промежуточной частоты. Трансформация сигналов осуществляется, благодаря нелинейности параметров смесительного диода. В качестве смесительных СВЧ-диодов используются приборы с барьером Шоттки, варикапы, обращенные диоды, диоды Мотта.
Умножительные диоды
Эти СВЧ устройства используются в умножителях частоты. Они могут работать в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн. Как правило, в качестве умножительных приборов используются кремниевые и арсенид-галлиевые устройства, часто – с эффектом Шоттки.
Настроечные диоды
Принцип работы настроечных диодов основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от величины обратного напряжения. В качестве настроечных используются приборы кремниевые и арсенид-галлиевые. Эти детали применяют в устройствах перестройки частоты в сверхчастотном диапазоне.
Генераторные диоды
Для генерации сигналов в сверхвысокочастотном диапазоне востребованы устройства двух основных типов – лавинно-пролетные и диоды Ганна. Некоторые генераторные диоды при условии включения в определенном режиме могут выполнять функции умножительных устройств.
Виды диодов по типу конструкции
Стабилитроны (диоды Зенера)
Эти устройства способны сохранять рабочие характеристики в режиме электрического пробоя. В низковольтных устройствах (напряжение до 5,7 В) используется туннельный пробой, в высоковольтных – лавинный. Стабилизацию невысоких напряжений обеспечивают стабисторы.
Стабисторы
Стабиистор, или нормистор, — это полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации (примерно 0,7-2 V).
Диоды Шоттки
Устройства, применяемые в качестве выпрямительных, умножительных, настроечных, работают на базе контакта металл-полупроводник. Конструктивно они представляют собой пластины из низкоомного кремния, на которые наносится высокоомная пленка с тем же типом проводимости. На пленку вакуумным способом напыляется металлический слой.
Варикапы
Варикапы выполняют функции емкости, величина которой меняется с изменением напряжения. Основная характеристика этого прибора – вольт-фарадная.
Туннельные диоды
Эти полупроводниковые диоды имеют падающий участок на вольтамперной характеристике, возникающий из-за туннельного эффекта. Модификация туннельного устройства – обращенный диод, в котором ветвь отрицательного сопротивления выражена мало или отсутствует. Обратная ветвь обращенного диода соответствует прямой ветви традиционного диодного устройства.
Тиристоры
В отличие от обычного диода, тиристор, кроме анода и катода, имеет третий управляющий электрод. Для этих моделей характерны два устойчивых состояния – открытое и закрытое. По устройству эти детали разделяют на динисторы, тринисторы, симисторы. При производстве этих изделий в основном используется кремний.
Симисторы
Симисторы (симметричные тиристоры) – это разновидность тиристора, используется для коммутации в цепях переменного тока.
В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно.
Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.
Динисторы
Динистором, или диодным тиристором, называется устройство, не содержащее управляющих электродов. Вместо этого они управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Их основное применение – управление мощной нагрузкой при помощи слабых сигналов. Также динисторы используют при изготовлении переключающих устройств.
Диодные мосты
Это 4, 6 или 12 диодов, которые соединяются между собой. Число диодных элементов определяется типом схемы, которая бывает – однофазной, трехфазной, полно- или полумостовой. Мосты выполняют функцию выпрямления тока. Часто используются в автомобильных генераторах.
Фотодиоды
Предназначены для преобразования световой энергии в электрический сигнал. По принципу работы аналогичны солнечным батареям.
Светодиоды
Эти устройства при подключении к электрическому току излучают свет. Светодиоды, имеющие широкую цветовую гамму свечения и мощность, применяются в качестве индикаторов в различных приборах, излучателей света в оптронах, используются в мобильных телефонах для подсветки клавиатуры. Приборы высокой мощности востребованы в качестве современных источников света в фонарях.
Инфракрасные диоды
Это разновидность светодиодов, излучающая свет в инфракрасном диапазоне.
Применяется в бескабельных линиях связи, КИП, аппаратах дистанционного управления, в камерах видеонаблюдения для обзора территории в ночное время суток.
Инфракрасные излучающие устройства генерируют свет в диапазоне, который не доступен человеческому взгляду. Обнаружить его можно с помощью фотокамеры мобильного телефона.
Диоды Ганна
Эта разновидность сверхчастотных диодов изготавливается из полупроводникового материала со сложной структурой зоны проводимости. Обычно при производстве этих устройств используется арсенид галлия электронной проводимости. В этом приборе нет p-n перехода, то есть характеристики устройства являются собственными, а не возникающими на границе соединения двух разных полупроводников.
Магнитодиоды
В таких приборах ВАХ изменяется под действием магнитного поля. Устройства используются в бесконтактных кнопках, предназначенных для ввода информации, датчиках движения, приборах контроля и измерения неэлектрических величин.
Лазерные диоды
Эти устройства, имеющие сложную структуру кристалла и сложный принцип действия, дают редкую возможность генерировать лазерный луч в бытовых условиях. Благодаря высокой оптической мощности и широким функциональным возможностям, приборы эффективны в высокоточных измерительных приборах бытового, медицинского, научного применения.
Лавинные и лавинно-пролетные диоды
Принцип действия устройств заключается в лавинном размножении носителей заряда при обратном смещении p-n перехода и их преодолении пролетного пространства за определенный временной промежуток. В качестве исходных материалов используются арсенид галлия или кремний. Приборы в основном предназначаются для получения сверхвысокочастотных колебаний.
PIN-диоды
PIN-устройства между p- и n-областями имеют собственный нелегированный полупроводник (i-область). Широкая нелегированная область не позволяет использовать этот прибор в качестве выпрямителя. Однако зато PIN-диоды широко применяются в качестве смесительных, детекторных, параметрических, переключательных, ограничительных, настроечных, генераторных.
Триоды
Триоды – это электронные лампы. Он имеет три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и управляющую сетку.
Сегодня триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами.
Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц высокой мощности при маленьком числе активных компонентов, а габариты и масса не имеют большого значения.
Маркировка диодов
Маркировка полупроводниковых диодных устройств включает цифры и буквы:
- Первая буква характеризует исходный материал. Например, К – кремний, Г – германий, А – арсенид галлия, И – фосфид индия.
- Вторая буква – класс или группа диода.
- Третий элемент, обычно цифровой, обозначает применение и электрические свойства модели.
- Четвертый элемент – буквенный (от А до Я), обозначающий вариант разработки.
Пример: КД202К – кремниевый выпрямительный диффузионный диод.
Другие материалы по теме
Анатолий Мельник
Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.
Тиристоры. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности
Тиристоры — это разновидность полупроводниковых приборов. Они предназначены для регулирования и коммутации больших токов. Тиристор позволяет коммутировать электрическую цепь при подаче на него управляющего сигнала. Это делает его похожим на транзистор.
Как правило, тиристор имеет три вывода, один из которых управляющий, а два других образуют путь для протекания тока. Как мы знаем, транзистор открывается пропорционально величине управляющего тока.
Чем он больше, тем больше открывается транзистор, и наоборот. А у тиристора все устроено иначе. Он открывается полностью, скачкообразно.
И что самое интересное, не закрывается даже при отсутствии управляющего сигнала.
Принцип действия
Рассмотрим работу тиристора по следующей простой схеме.
К аноду тиристора подключается лампочка или светодиод, а к ней подсоединяется плюсовой вывод источника питания через выключатель К2. Катод тиристора подключен к минусу питания. После включения цепи на тиристор подается напряжение, однако светодиод не горит.
Если нажать на кнопку К1, ток через резистор поступит на управляющий электрод, и светодиод начал светиться. Часто на схемах его обозначают буквой «G», что обозначает gate, или по-русски затвор (управляющий вывод).
Резистор ограничивает ток управляющего вывода. Минимальный ток срабатывания данного рассматриваемого тиристора составляет 1 мА, а максимально допустимый ток 15 мА. С учетом этого в нашей схеме подобран резистор сопротивлением 1 кОм.
Если снова нажать на кнопку К1, то это не повлияет на тиристор, и ничего не произойдет. Чтобы перевести тиристор в закрытое состояние, нужно отключить питание выключателем К2. Если же снова подать питание, то тиристор вернется в исходное состояние.
Этот полупроводниковый прибор, по сути, представляет собой электронный ключ с фиксацией. Переход в закрытое состояние происходит и тогда, когда напряжение питания на аноде уменьшается до определенного минимума, примерно 0,7 вольта.
Особенности устройства
Фиксация включенного состояния происходит благодаря особенности внутреннего устройства тиристора. Примерная схема выглядит таким образом:
Обычно он представляется в виде двух транзисторов разной структуры, связанных между собой. Опытным путем можно проверить, как работают транзисторы, подключенные по такой схеме. Однако, имеются отличия в вольтамперной характеристике.
И еще нужно учитывать, что приборы изначально спроектированы так, чтобы выдерживать большие токи и напряжения.
На корпусе большинства таких приборов имеется металлический отвод, на который можно закрепить радиатор для рассеивания тепловой энергии.
Тиристоры выполняются в различных корпусах. Маломощные приборы не имеют теплового отвода. Распространенные отечественные тиристоры выглядят следующим образом. Они имеют массивный металлический корпус и выдерживают большие токи.
Основные параметры тиристоров
- Максимально допустимый прямой ток. Это максимальное значение тока открытого тиристора. У мощных приборов оно достигает сотен ампер.
- Максимально допустимый обратный ток.
- Прямое напряжение. Это падение напряжения при максимальном токе.
- Обратное напряжение. Это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии, при котором тиристор может работать без нарушения его работоспособности.
- Напряжение включения. Это минимальное напряжение, приложенное к аноду. Здесь имеется ввиду минимальное напряжение, при котором вообще возможна работа тиристора.
- Минимальный ток управляющего электрода. Он необходим для включения тиристора.
- Максимально допустимый ток управления.
- Максимально допустимая рассеиваемая мощность.
Динамический параметр
Время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое при поступлении сигнала.
Виды тиристоров
По способу управления разделяют на:
- Диодные тиристоры, или по-другому динисторы. Они открываются импульсом высокого напряжения, которое подается на катод и анод.
- Триодные тиристоры, или тринисторы. Они открываются током управления электродом.
Триодные тиристоры в свою очередь разделяются:
- Управление катодом – напряжение, образующее ток управления, поступает на электрод управления и катод.
- Управление анодом – управляющее напряжение подходит на электрод и анод.
Запирание тиристора производится:
- Уменьшением анодного тока – катод меньше тока удержания.
- Подачей напряжения запирания на электрод управления.
По обратной проводимости тиристоры делятся:
- Обратно-проводящие – имеют малое обратное напряжение.
- Обратно-непроводящие – обратное напряжение равно наибольшему прямому напряжению в закрытом виде.
- С ненормируемым обратным значением напряжения – изготовители не определяют значение этой величины. Такие приборы применяются в местах, где обратное напряжение исключено.
- Симистор – пропускает токи в двух направлениях.
Используя симисторы, нужно знать, что они действуют условно симметрично. Основная часть симисторов открывается, когда на электрод управления поступает положительное напряжение по сравнению с катодом, а на аноде может быть любая полярность.
Но если на анод приходит отрицательное напряжение, а на электрод управления положительное, то симисторы не открываются, и могут выйти из строя.
По быстродействию разделяют по времени отпирания (включения) и времени запирания (отключения).
Разделение тиристоров по мощности
При действии тиристора в режиме ключа наибольшая мощность коммутируемой нагрузки определяется напряжением на тиристоре в открытом виде при наибольшем токе и наибольшей рассеиваемой мощности.
Действующая величина тока на нагрузку не должна быть выше наибольшей рассеиваемой мощности, разделенной на напряжение в открытом виде.
Простая сигнализация на основе тиристора
На основе тиристора можно сделать простую сигнализацию, которая будет реагировать на свет, издавая звук с помощью пьезоизлучателя.
На управляющий вывод тиристора подается ток через фоторезистор и подстроечный резистор. Свет, попадая на фоторезистор, уменьшает его сопротивление.
И на управляющий вывод тиристора начинает поступать отпирающий ток, достаточный для его открывания. После этого включается пищалка.
Подстроечный резистор предназначен для того, чтобы настроить чувствительность устройства, то есть, порог срабатывания при облучении светом. Самое интересное, что даже при отсутствии света тиристор продолжает оставаться в открытом состоянии, и сигнализирование не прекращается.
Если напротив светочувствительного элемента установить световой луч так, чтобы он светил немного ниже окошечка, то получится простейший датчик дыма.
Дым, попадая между источником и приемником света, будет рассеивать свет, что вызовет запуск сигнализации.
Для этого устройства обязательно нужен корпус, для того, чтобы на приемник света не поступал свет от солнца или искусственных источников света.
Открыть тиристор можно и другим способом. Для этого достаточно кратковременно подать небольшое напряжение между управляющим выводом и катодом.
Регулятор мощности на тиристоре
Теперь рассмотрим использование тиристора по прямому назначению. Рассмотрим схему простого тиристорного регулятора мощности, который будет работать от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Схема простая и содержит всего пять деталей.
- Полупроводниковый диод VD.
- Переменный резистор R1.
- Постоянный резистор R2.
- Конденсатор С.
- Тиристор VS.
Их рекомендованные номинальные значения показаны на схеме. В качестве диода можно использовать КД209, тиристор КУ103В или мощнее. Резисторы желательно использовать мощностью не менее 2 ватт, конденсатор электролитический на напряжение не менее 50 вольт.
Эта схема регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Если представить, что мы из схемы убрали все элементы, кроме диода, то он будет пропускать только полуволну переменного тока, и на нагрузку, к примеру, на паяльник или лампу накаливания поступит лишь половина мощности.
Тиристор позволяет пропускать дополнительные, условно говоря, кусочки полупериода, срезанного диодом. При изменении положения переменного резистора R1 напряжение на выходе будет меняться.
К положительному выводу конденсатора включен управляющий вывод тиристора.
Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, он открывается и пропускает определенную часть положительного полупериода.
Переменный резистор будет определять скорость зарядки конденсатора. А чем быстрее он зарядится, тем раньше откроется тиристор, и успеет до смены полярности пропустить часть положительного полупериода.
На конденсатор отрицательная полуволна не поступает, и напряжение на нем одной полярности, поэтому не страшно, что он имеет полярность. Схема позволяет изменять мощность от 50 до 100%. Для паяльника это в самый раз подходит.
Тиристор пропускает ток в одном направлении от анода к катоду. Но существуют разновидности, которые пропускают ток в обоих направлениях. Они называются симметричные тиристоры или симисторы. Они используются для управления нагрузкой в цепях переменного тока. Существует большое количество схем регуляторов мощности на их основе.
Похожие темы:
Силовые полупроводниковые приборы, их основные типы и характеристики
Силовые полупроводниковые приборы (СПП) являются основной элементной базой силовой полупроводниковой техники. Выпускаемая компанией Tallinna Elektrotehnika Tehas «Estel» AS широкая гамма силовых полупроводниковых приборов отличается от имеющихся на рынке аналогов не только конкурентной ценой, но и высоким уровнем качества, надежности, дизайна.
Силовые полупроводниковые приборы можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, конструктивному исполнению, электрическим параметрам, применению и др.
Поскольку полупроводниковые приборы являются нелинейными элементами, то их существенными характеристиками являются вольт-амперные характеристики (ВАХ), связывающие значения токов и напряжений на приборе в различных режимах его работы.
- КЛАССИФИКАЦИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
- К силовым полупроводниковым приборам относятся диоды, триодные тиристоры, непроводящие в обратном направлении (в дальнейшем тиристоры), тиристоры, проводящие в обратном направлении, и симметричные тиристоры на максимально допустимые средние или действующие токи 10 А и более или максимально допустимые импульсные токи 100 А и более, стабилитроны и симметричные стабилитроны с максимально допустимым значением рассеиваемой мощности 15 Вт и более, ограничители напряжения и симметричные ограничители напряжения с максимально допустимым значением рассеиваемой энергии 5 Дж и более, транзисторы с током коллектора 10 А и более, предназначенные для применения в статических преобразователях электроэнергии, а также в других цепях постоянного и переменного тока различных силовых установок.
- По принципу действия силовые полупроводниковые приборы делятся на следующие основные виды: диоды, тиристоры, тиристоры симметричные, стабилитроны, ограничители напряжения, транзисторы.
- Внутри каждого из указанных видов приборы подразделяются на типы: диоды — по значениям максимально допустимого среднего прямого тока, тиристоры — по значениям максимально допустимого прямого тока в открытом состоянии, симметричные тиристоры — по значениям максимально допустимого действующего тока в открытом состоянии, стабилитроны — по значениям максимально допустимой мощности рассеяния, ограничители напряжения — по значениям максимально допустимой рассеиваемой энергии.
- Приборы одного типа подразделяются на классы: диоды — по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения, тиристоры — по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения и повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии, тиристоры, проводящие в обратном направлении, и симметричные тиристоры — по значениям повторяющегося напряжения в закрытом состоянии, стабилитроны — по значениям напряжения стабилизации, ограничители напряжения — по значениям напряжения лавинного пробоя.
- Кроме того, виды диодов и тиристоров подразделяются на подвиды в зависимости от коммутационных параметров, ч Для диодов:
- а) диод — время обратного восстановления не нормируется;
- б) быстровосстанавливающийся диод — время обратного восстановления равно или менее нормы
- Для тиристоров:
- а) тиристор — время включения и время выключения не нормируется;
- б) быстровыключающийся тиристор — время выключения равно или менее нормы;
- в) быстровключающийся тиристор — время включения равно или менее нормы;
- г) быстродействующий тиристор — время включения и время выключения равно или менее нормы.
- В зависимости от отличительных признаков диоды и тиристоры подразделяются следующим образом:
- тиристор, управляемый с помощью внешнего светового сигнала,- фототиристор;
- тиристор, управляемый с помощью внутреннего светового сигнала от светоизлучающего диода при воздействии внешнего электрического сигнала, — оптотиристор (тиристорная оптопара);
- тиристор, проводящий в обратном направлении, допускающий работу в обратном направлении в качестве диода,-тиристор-диод;
- диод (тиристор), имеющий лавинные вольт-амперные характеристики, — лавинный диод (лавинный тиристор).
Кроме того, приборы подразделяются по конструктивным признакам и по полярности, о чем подробнее сказано в следующем. параграфе.
Свойства и характеристики приборов
Свойства и характеристики приборов, и их эксплуатационные показатели существенно влияют на стоимость, исполнение, размер, вес, и величину потерь в устройствах FACTS, также, как и в любых применениях силовых приборов.
Таким образом, необходимо учитывать стоимость всех устройства, включая демпферные цепи, цепи управления, трансформаторы и другое электромагнитное оборудование, фильтры, системы охлаждения, потери, исполнение и требования к техническому обслуживанию.
Например, возможность быстрого переключения ведет к уменьшению компонентов демпферной цепи, снижению потерь в этих цепях, что, в свою очередь, обеспечивает меньшую генерацию гармоник и большее быстродействие устройств FACTS.
Сказанное является особенно важным при использовании специальных устройств FACTS в качестве активных фильтров.
В промышленных сетях малой мощности нашли применение разнообразные усовершенствованные схемы, которые внедрялись в основном из-за низкой себестоимости; экономическая целесообразность применения аналогичных устройств в сетях большой мощности в значительной степени является функцией улучшения характеристик устройств.
К этим усовершенствованиям относятся широтно-импульсная модуляция (PWM), «мягкое» включение, резонансные преобразователи, прерыватели и другие. Отметим, что в конструкции FACTS обычно применяется устройства с наилучшими характеристиками, несмотря на их более высокую стоимость.
Хотя стоимость является существенным фактором, было бы более корректно сказать, что применение устройств с наилучшими характеристиками влияет на параметры FACTS и обеспечивает их конкурентоспособность, обеспечивая тем самым специфические технические возможности, которые получаются по наименьшей возможной цене.
Таким образом, стоимость, эксплуатационные качества, и рыночный успех устройств FACTS сильно зависит от развития полупроводниковых приборов и их технического исполнения.
Фактически проектировщики устройств FACTS, могут выиграть очень многое за счет обсуждения с поставщиками оборудования наивысших требований к характеристикам приборов, их технического исполнения и комплектующих, не допуская при этом применения устаревшей аппаратуры в конструкциях FACTS. Для использования технологий FACTS важно наличие общей идеи относительно параметров полупроводниковых приборов, их технологии и будущей тенденции, а также принципиальные схемы, используемые в энергетике и промышленности.
Таким образом, силовые электронные приборы – это быстродействующие устройства, выполненные на базе однокристальной силиконовой пластины высокой чистоты, разработанные для различных коммутационных операций.
Приборы могут быть управляемыми как на включение, так и на выключение протекающего электрического тока, посредством подачи импульсов на управляющие электроды, называемые затворами. Некоторые полупроводниковые устройства разработаны без возможности запирания, т.е.
блокирования протекания тока в обратном направлении, в этом случае данное свойство обеспечивается другим блокирующим прибором (диодом), включенным последовательно или встречно — параллельно.
В основном, силовые полупроводниковые приборы включают диоды, транзисторы и тиристоры. Условные обозначения основных устройств, относящихся к этим категориям, представлены на Рис.1. В последующих параграфах изложено краткое описание этих трех категорий и далее несколько подробнее рассмотрены некоторые специальные устройства.
Силовые полупроводниковые приборы
Основными элементами силовых полупроводниковых преобразователей, используемых в силовом канале электропривода, являются силовые полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, транзисторы и др.
Понятие «силовой» означает, что эти приборы служат для управления потоком электрической энергии, а не потоком информации, поэтому к ним относятся приборы с максимально допустимым значением среднего тока свыше 10 А.
Силовые полупроводниковые приборы (их называют также вентилями) выполняют функции преобразования электрического тока или его включения/ прерывания. Полупроводниковые приборы (как отдельный элемент) проводят ток только в одном направлении. Силовые полупроводниковые приборы работают только в ключевом режиме, т.е.
могут находиться только в двух состояниях: проводящем электрический ток или непроводящем (закрытом). В этом смысле полупроводниковые вентили можно рассматривать как силовые электронные ключи. Идеальный электронный ключ характеризуется:
- • в выключенном состоянии ток в ключе отсутствует;
- • во включенном состоянии падение напряжения в ключе пренебрежимо мало;
- • переход из выключенного состояния во включенное и обратно происходит практически мгновенно.
Основными видами силовых полупроводниковых приборов являются: диоды, тиристоры (однооперационные), запираемые тиристоры, биполярные и полевые транзисторы [10]. Часто силовые полупроводниковые приборы конструктивно объединяют в модули: встречно включенные тиристоры (симисторы), транзистор — диод, несколько транзисторов и др.
Функционально диод является электронным прибором с односторонней проводимостью. Диод находится в проводящем состоянии, если он подключен к внешнему источнику напряжения положительным потенциалом к аноду, и отрицательным — к катоду. Ток диода определяется параметрами внешней цепи и напряжением. При приложении обратного напряжения ток через диод пренебрежимо мал, т.е.
он находится в выключенном состоянии, блокируя приложенное напряжение. В проводящем состоянии на диоде имеется незначительное 1,5…2,5 В прямое падение напряжения. При приложении обратного напряжения обратный ток пренебрежимо мал и возрастает до тока пробоя при превышении допустимого обратного напряжения.
При приложении обратного напряжения диод восстанавливает свои запирающие свойства за некоторое время, называемое временем восстановления в связи с чем диоды разделяют на низкочастотные с вос > 15 мкс и быстровосстанавливающиеся с вос < 15 мкс.
Быс- тровосстанавливающиеся диоды эффективно используют в сочетании с транзисторами и запираемыми тиристорами в качестве встречно включенных приборов. Диоды выпускают на токи до 3000 А и обратное напряжение до 4 000 В и выше.
Силовой транзистор — это управляемый полупроводниковый прибор, работающий только в ключевом режиме. Основные виды силовых транзисторов: биполярные; биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT — insolated gate bipolar transistor (русское обозначение МОПБТ); полевые — МОП-транзисторы (металл — оксид — полупроводник).
Развитие силовой преобразовательной техники, прежде всего, силовых транзисторов с изолированным затвором (IGB1), открыло широкие возможности создания регулируемых источников постоянного тока.
В настоящее время биполярные транзисторы в преобразователях для электропривода уже не используют, прежде всего, из-за низкого коэффициента усиления по току и большой мощности управления. Они уступили место IGBT-транзисторам.
Схема включения /(7ЯГ-транзистора и его вольт-амперные характеристики (ВАХ) показаны на рис. 3.2. Вольт-амперные характеристики /б^Г-транзисторов подобны ВАХ биполярных транзисторов, но управление прибором осуществляется напряжением затвор—эмиттер G—Е (рис. 3.2,я), а не током базы. Это обстоятельство определяет весьма малую мощность управления и высокое быстродействие.
Рис. 3.2. Схема включения (а) и ВАХ (б) /бБГ-транзистора: S — анод; Е — эмиттер: G — затвор
Приборы IGBT получили широкое применение, так как они сочетают в себе свойства биполярного транзистора (достаточно высокое блокирующее напряжение) и полевого транзистора (управление посредством поля, создаваемого потенциалом, подаваемым на управляющий электрод—затвор).
В настоящее время /(77?Г-транзисторы выпускают на напряжение до 1700 В и ток коллектора до 360 А. Параллельное и последовательное (для высоковольтных преобразователей) соединение приборов позволяет строить на их базе преобразователи для электроприводов весьма большой мощности.
В настоящее время ведутся работы по созданию на базе IGBTмодулей большой мощности на напряжение до 3,5 кВ и ток 1200 А. Время включения транзисторов составляет около 1 мкс, время отключения — около 4 мкс, что определяет возможность их переключения с высокой частотой (до 20 кГц).
Определенным недостатком транзисторов этого типа является относительно большое падение напряжения в открытом состоянии (2,5…3,5 В).
Для конструктивного удобства использования силовых приборов их объединяют в силовые модули, реализующие типовые схемы соединения вентилей в преобразователях.
Развитие микроэлектронных технологий привело к созданию интеллектуальных силовых модулей, объединяющих в одном корпусе силовые электронные компоненты (IGBT или МОП-транзисторы) и схемы их управления (драйверы), защиты, диагностики и интерфейсы для связи со внешними устройствами управления.
Вольт-амперные характеристики МОП-транзисторов сходны с характеристиками биполярных транзисторов с той разницей, что управление осуществляется не током базы, а изменением потенциала управляющего электрода, т.е. они управляются полем.
Достоинствами МОП-транзисторов является особо большое быстродействие (менее 0,5 мкс) и малое прямое падение напряжения. Однако эти приборы имеют ограничения по напряжению (50…200 В), что делает целесообразным их применение только в преобразователях для электроприводов малой мощности.
Однако они находят применение для управления мощными высоковольтными приборами (например, запираемыми тиристорами).
Тиристоры применяют в преобразователях для электропривода уже в течение длительного времени (с 70-х гг. XX в.), и до появления IGBT они были основными силовыми полупроводниковыми приборами в технике электропривода. Тиристор неполностью управляемый прибор. Он имеет два устойчивых состояния: закрытое и открытое.
Его можно открыть посредством подачи управляющего импульса на управляющий электрод. Для того, чтобы перевести его в закрытое (непроводящее) состояние недостаточно снять управляющий импульс, необходимо обеспечить спад прямого тока до нуля. Поэтому его называют однооперационным прибором (SCR).
Схема включения и ВАХ тиристора представлены на рис. 3.3.
Тиристор выдерживает прямое и обратное напряжение (в пределах допустимого), не переходя в проводящее состояние. Для того, чтобы открыть тиристор, нужно приложить к цепи анод—катод (С—А) прямое напряжение и подать на управляющий электрод G—C импульс тока (100..
.500 мА) длительностью порядка 100 мкс. Если после снятия управляющего импульса, тиристор проводит ток, то он остается в открытом состоянии.
Для закрытия тиристора нужно создать условия для снижения анодного тока до нуля, что обычно происходит при изменении полярности напряжения анод—катод. При приложении обратного напряжения тиристор в течение времени выключения порядка 1 мс закрывается.
Поэтому основная область применения тиристоров — это выпрямление переменного тока, когда тиристор коммутируется (закрывается) под действием напряжения сети.
Рис. 3.3. Схемы включения тиристоров: а — однооперационного; б — запираемого GT0, IGCT, в — симметричного запираемого SGCT г— ВАХ однооперационного
Силовые тиристоры — это наиболее мощные полупроводниковые приборы, выпускают на ток 10…3000 А и напряжение до 6 кВ. Стремление иметь мощный полностью управляемый полупроводниковый прибор — электронный ключ, привело к созданию запираемых тиристоров.
Запираемый тиристор (gate turn off tyristor — GTO-тиристор) может быть переключен из закрытого состояния в открытое и обратно путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности. Открывание запираемого тиристора происходит также как и однооперационного тиристора подачей маломощного управляющего импульса положительной полярности.
Запираемый тиристор, проводя ток только в прямом направлении, может блокировать равные прямое и обратное напряжение, т.е. выполняет функции электронного ключа. Для запирания такого тиристора нужно подать на управляющий электрод отрицательный импульс тока большой амплитуды.
Основным недостатком GTO-ти- ристоров является большая амплитуда тока запирающего импульса. Максимальное значение отрицательного импульса тока выключения рассчитывают из наиболее тяжелых условий коммутации.
Оно соизмеримо с значением отключаемого тока по цепи анод—катод и составляет примерно 30% максимально допустимого отключаемого тока. Так, запираемый тиристор фирмы ЛВВ при максимальном токе 3000 А имеет амплитуду отключающего импульса тока 600…800 А.
Однако, ввиду малой длительности запирающего импульса, энергия за один импульс не превосходит 24 Дж.
Для преодоления этого недостатка созданы запираемые тиристоры со встроенным драйвером, содержащим устройства для обеспечения запирающего импульса. Такие приборы получили название коммутируемых тиристоров с интегрированным управлением (integrated gate commuted tyristor — IGCT). Эти приборы имеют высокое быстродействие и малую мощность управления.
В настоящее время выпускают запираемые тиристоры на ток до 3000 А и напряжение до 6 кВ, а также двухоперационные тиристоры с интегральным управлением SGCT, содержащие встроенный обратный диод (см. рис.3.3,в).
Следует отметить, что силовая полупроводниковая техника развивается особо быстрыми темпами, вследствие чего почти ежегодно появляются новые приборы с повышенными параметрами, комбинированные (интегрированные) приборы высокой управляемости и силовые полупроводниковые модули, содержащие в одном корпусе необходимые комбинации силовых приборов и интеллектуальное устройство управления этими приборами.
Быстрый прогресс в силовой электронике обеспечивает постоянное совершенствование схемотехники и параметров силовых преобразователей электрической энергии, построенных на их основе.
Силовые полупроводниковые приборы
Фототиристор входит в число основных активных элементов полупроводниковых преобразователей электроэнергии. Их появление среди прочих устройств – результат развития и модернизации силовых полупроводниковых приборов.
Применение фототиристоров в электротехнике и электроэнергетике позволяет при помощи простых и надёжных устройств решать стратегические проблемы.
Наиболее эффективно фототиристоры используются в устройствах с последовательным соединением приборов и высоким уровнем электромагнитных помех.
Фототиристоры представляют собой оптоэлектронные полупроводниковые приборы, схожие по структуре с обычными тиристорами. Единственное отличие от последних заключается в том, что включаются они не электрическими импульсами, а падающим светом. Оптический вход фототиристора позволяет подключать оптоволоконный кабель любой длины.
Чаще всего фототиристоры изготавливают из кремния. Их спектральные характеристики схожи с другими кремниевыми фоточувствительными элементами. Скорость отклика на свет составляет менее 1 мкс. Кремниевый монокристалл располагается на медном основании. Приборы выпускаются как с открытым для освещения кристаллом, так и со встроенным в корпус светодиодом.
Фототиристор имеет более совершенную конструкцию, чем обычный тиристор, и обладает целым рядом преимуществ:
- прямое управление импульсами света;
- высокая устойчивость к помехам;
- простота обслуживания;
- надёжность и долговечность.
Современный фототиристор оснащён интегрированной самовосстанавливающейся защитой от перенапряжений. Защитная структура при работе в критическом режиме позволяет прервать неконтролируемые процессы.
В этих целях в кристалле образована область с пониженным напряжением лавинного пробоя. Возникновение тока во внутренней структуре вызывает полное отпирание прибора. После окончания импульсного воздействия структура устройства восстанавливается.
Благодаря такой защите тепловое разрушение многослойной структуры прибора исключено.
Фототиристоры имеют высокий уровень КПД, они устойчивы к многократным перегрузкам тока и напряжения. Работа фототиристора не изменяется под воздействием высоких электромагнитных помех и прочих внешних факторов.
Область применения тиристоров с оптическим управлением достаточно широка:
- высоковольтные преобразовательные устройства линий электропередач;
- компенсаторы реактивной мощности;
- импульсные генераторы;
- силовые установки с цепями постоянного и переменного тока.
Фототиристоры применяются для установки в самых различных источниках излучения (лампы накаливания, импульсные газоразрядные лампы, квантовые генераторы, светоизлучательные светодиоды). Необходимая для функционирования прибора величина светового потока определяется спектральным составом излучения, коэффициентом отражения и поглощения монокристалла, скоростью нарастания прямого напряжения.
Фототиристоры – это уникальное сочетание эксплуатационных характеристик: оптическое управление, интегрированные защитные функции, надёжность. Благодаря отменным параметрам оптический тиристор занимает ведущее место в перечне компонентов для электрооборудования.