Классификация полупроводниковых устройств

По своим функциональным задачам полупроводниковые устройства можно разделить на три группы: преобразовательные, в том числе выпрямительные; усилительные и импульсные, в том числе логические.

Преобразовательные устройства осуществляют преобразование напряжения и тока источника энергии в напряжение и ток, необходимые приемнику энергии. Выпрямительные устройства служат для преобразования синусоидальных напряжений и токов в постоянные. Обратное преобразование реализуют инверторы, а изменение значений постоянного напряжения и частоты синусоидального тока — преобразователи напряжения и частоты. Преобразовательные устройства широко применяются в электроприводе, устройствах электросварки, электротермии и т. д. В усилительных устройствах те или иные параметры сигналов увеличиваются до значений, необходимых для работы исполнительных органов. С помощью импульсных и логических устройств создают различные системы управления. Первые обеспечивают необходимую временную программу, а вторые — необходимую логическую программу совместной работы отдельных частей объекта управления.

Отметим, что деление полупроводниковых устройств по их функциональному назначению в известной степени условно. Реальные полупроводниковые устройства часто содержат элементы нескольких групп, а также генераторы синусоидальных колебаний, стабилизаторы напряжения и т. п.

Неуправляемые выпрямители

В общем случае структурная схема выпрямительного устройства (рис. 10.33) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст.

Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети С до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на приемнике П при изменении напряжения сети. Отдельные узлы выпрямительного устройства могут отсутствовать, что зависит от условий работы.

В дальнейшем вместо термина «выпрямительное устройство» будем пользоваться сокращенным — «выпрямитель». По числу фаз источника выпрямленного синусоидального напряжения различают однофазные и многофазные (чаще трехфазные) выпрямители, по схемотехническому решению — с выводом нулевой точки трансформатора и мостовые, по возможностям регулирования выпрямленного напряжения — неуправляемые и управляемые. В неуправляемых выпрямителях для выпрямления синусоидального напряжения включаются диоды, т. е. неуправляемые вентили, а для сглаживания выпрямленного напряжения — обычно емкостные фильтры.

Для упрощения расчетов примем, что приемник представляет собой резистивный двухполюсник с сопротивлением нагрузки, а диоды — идеальные ключи, т. е. реализуют короткое замыкание цепи для тока в прямом направлении и ее разрыв для тока в обратном направлении.

Однофазные выпрямители.В однофазном выпрямителе с нулевым выводом трансформатора приемник подключается к выводу от середины вторичной обмотки трансформатора (рис. 10.34). Рассмотрим сначала работу выпрямителя без сглаживающего фильтра (ключ S разомкнут).

В однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 10.38)четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Одну половину периода два диода в противолежащих плечах моста проводят ток i₁а другие два диода заперты. Вторую половину периода два других диода проводят ток i₂, а первые два диода заперты (рис. 10.39, а). Для мостовой схемы справедливы все полученные выше соотношения для выпрямителя с нулевым выводом трансформатора. Ток нагрузки выпрямленный i_н = i₁ + i₂ (рис. 10.39, б), а ток источника i_н = i₁ — i₂ синусоидальный (рис. 10.39, а).

ток нагрузки I_н = i_a + i_b + i_cимеет постоянную составляющую I₀, a выпрямленное напряжение совпадает с огибающей положительных полуволн напряжений вторичных обмоток.

Принципы построения управляемых однофазных и многофазных выпрямителей такие же, как и одноименных неуправляемых выпрямителей, но диоды, т.е. неуправляемые вентили, заменяются тиристорами, т. е. управляемыми вентилями. Программа включения последних задается соответствующей последовательностью управляющих импульсов напряжения системы управления.

Рассмотрим работу однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом трансформатора (рис. 10.44). Режим работы выпрямителя в общем случае зависит от значения параметров цепи нагрузки. Наиболее распространены два случая. Схема замещения цепи нагрузки содержит:

1) резистивный элемент с сопротивлением R_н;

2) последовательное соединение резистивного R_nи индуктивного L_nэлементов.

Примем для упрощения анализа, что трансформатор с числом витков первичной ω₁и каждой половины вторичной ω₂обмоток — идеальный с напряжениями на половинах вторичной обмотки u₁и u₂(рис. 10.45, а).

i = ω₂ / ω₁ (i₁ – i₂)

Инверторы

Инвертированием называется процесс, обратный выпрямлению, т.е. преобразование постоянного тока в переменный, а инверторами — устройства, реализующие этот процесс.

Различают инверторы, ведомые сетью, и автономные инверторы. Первые служат для передачи энергии в сеть с переменным током заданной частоты, которая и определяет необходимую частоту преобразования. Вторые служат для питания автономных приемников, а частота преобразования задается системой управления инвертором.

Инверторы, ведомые сетью.У однофазного выпрямителя с нулевым выводом трансформатора для зарядки аккумулятора (рис. 10.49) угол управления 0 < α < 90° (см. рис. 10.47), постоянные ЭДС Ейток i_н = I₀аккумулятора направлены встречно, что соответствует передаче энергии из сети переменного тока в цепь постоянного тока.

Рассмотрим условия возникновения установившегося процесса инвертирования подробнее, сохранив в цепи инвертора (рис. 10.50) обозначения и направления токов и напряжений, принятые для одноименного выпрямителя (см. рис. 10.49).

В установившемся режиме ток в ветви с аккумулятором постоянный (i_н = I₀),так как предполагается, что у сглаживающего фильтра индуктивность L_ф — > ∞. Заметим, что если в выпрямителе сглаживающий фильтр может и отсутствовать (см. рис. 10.44), то в инверторе он определяет принцип его работы.

Процесс переключения тиристоров в инверторе аналогичен их переключению в выпрямителе на рис. 10.47. Примем, что к моменту времени t = 0 (рис. 10.51, а) тиристор VS₂был открыт, а тиристор VS₁закрыт. Последующие переключения тиристоров задаются двумя последовательностями импульсов управления и_уп1и и_уп2 с периодом повторения Т = 2 π / ω , сдвинутыми относительно друг друга на половину периода T/2 (рис. 10.51, б). Первый после момента времени t = 0 импульс управления и_уп1открывает тиристор VS₁ и напряжение между его анодом и катодом станет равно нулю u_vsi = 0. Если при этом угол управления

α < 180°,

то напряжение между анодом и катодом ранее проводившего тиристора, как следует из второго закона Кирхгофа, составленного для контура 1 цепи, будет иметь отрицательное значение (u_VS2 = u₂ — u₁ < 0),что приведет к его запиранию. Одновременно положительное напряжение и_г + Е > 0, действующее в контуре 2цепи, определяет ток в открытом тиристоре VSiи аккумуляторе

i₁ = i_н = i₀.

При значении угла управления α > 180° напряжение между анодом и катодом ранее проводившего тиристора VS₂ будет иметь положительное значение (u_VS2 = и₂ — и_х > 0) и его запирания не произойдет. Это явление называется срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора.

Запирание ранее проводившего тиристора под действием обратного напряжения, равного напряжению сети переменного тока, трансформированному на вторичной обмотке трансформатора, определяет название инвертора — ведомый сетью.

Автономные инверторы. Различают автономные инверторы тока и напряжения. Инвертор тока получает энергию от источника питания через сглаживающий фильтр большой индуктивности. Инвертор напряжения подключается непосредственно к источнику питания с малым внутренним сопротивлением.

Рассмотрим установившийся режим работы однофазного автономного инвертора тока с нулевым выводом трансформатора (рис. 10.53), положив, что к моменту времени t = 0 тиристор VS_Xбыл закрыт, тиристор VS₂открыт, конденсатор цепи коммутации емкостью С_кзаряжен так, как показано на рис. 10.53 знаками плюс и минус без скобок, трансформатор идеальный и сопротивление цепи нагрузки R_н. В цепь источника постоянной ЭДС Евключен сглаживающий фильтр с индуктивностью L_ф —» ∞. Поэтому ток источника постоянный i = I (рис. 10.54, а).

Первый после момента времени t = 0 импульс управленияи_уп1(рис. 10.54, б) открывает тиристор VS_hи начинается разрядка конденсатора по контуру цепи, отмеченному на рис. 10.53 штриховой линией. При этом ток разрядки конденсатора закрывает тиристор VSoи поддерживает открытое состояние тиристора VS₂. В результате быстро протекающего переходного процесса тиристор VS₁откроется и ток в нем увеличится до значения i₁ = I (рис. 10.54, в), а тиристор VS₂закроется и ток в нем уменьшится до нуля (u₂ = 0). Далее конденсатор под действием напряжения на первичной обмотке трансформатора и = 2 Еперезарядится так, как показано на рис. 10.53 знаками плюс и минус в скобках. Через половину периода под действием импульса управления и_уп2откроется тиристор VS₂и разрядка конденсатора по тому же контуру цепи в направлении, обратном предшествующей разрядке, закроет тиристор VS_V.Под действием напряжения на первичной обмотке трансформатора и = — 2 E конденсатор перезарядится, как показано знаками плюс и минус без скобок.

Далее процесс переключения тиристоров будет периодически повторяться с частотой следования импульсов управления (рис. 10.54, б).

На основе автономного однофазного инвертора с нулевым выводом можно создать автономные мостовые однофазные, а также многофазные инверторы.