Ші дәріс тақырыбы. «Түрлендіргіштік құрылғылар элементтері».

Күштік жартылайөткізгіштік элементтер. Күштікжартылайөткізгіштікэлементтердің түрі жартылайөткізгіштік түрлендіргіштің түрін анықтайды, ал күштік жартылайөткізгіштік элемент параметрлері оның статикалық және динамикалық сипаттамаларын анықтайды.

Күштік жартылайөткізгіштік элементтер түрлендіргіштерде негізінен кілттік режимде жұмыс істейді. Бұл режим екі қалыппен сипатталады:

1) диод және тиристор үшін ашық, транзистор үшін қанық;

2) жабық.

Бірінші қалыпта күштік жартылайөткізгіштік элемент токтың өтуі үшін кедергісі нөлдік дерлік, ал екіншісінде – кедергісі шексіз. Осындай режимнің арқасында күштік жартылайөткізгіштік элементте түрлендірілетін қуатқа қарағанда шығыны салыстырмалы түрде өте аз. Бұл шығындар күштік жартылайөткізгіштік элемент ашық немесе қанық болғанда өтетін тура токтың, күштік жартылайөткізгіштік элемент жабық болғанда өтетін кері токтың және бір қалыптан екінші қалыпқа ауыстырып қосудағы шығындар қосындысы болып табылады. Анықтамалық мәліметтерде келтірілетін параметрлер осы шығындарды анықтайды.

Күштік жартылайөткізгіштік элементтер классификациясы 2.1. суретінде көрсетілген.

 

2.1.суреті. Күштік жартылайөткізгіштік элементтер классификациясы.

Классификацияның бірінші өлшемі ретінде элемент түрі таңдап алынған. Осы өлшем бойынша барлық күштік жартылайөткізгіштік элементтер диодтар, тиристорлар және транзисторларға бөлінген. Классификацияның екінші өлшемі ретінде элементтің физикалық қасиеттері таңдап алынған.

Күштік жартылайөткізгіштік диодтар. Жартылайөткізгіштік диод деп екі электроды және бір (немесе бірнеше) р-n-өткелі бар аспапты атаймыз. Күштік жартылайөткізгіштік диодтарды екі топқа бөлінеді: түзеткіштік және тезәрекеттік.

Тезәрекеттік диодтар жартылайөткізгіштік түрлендіргіштер схемаларында кері диодтар ретінде қызмет атқарады. Олар транзисторлар жабылғанда жүктеме тогы өту жолдарын жасайды.

Түзеткіштік диодтар айнымалы токты түзету үшін арналған. Конструктивтік тұрғыдан түзеткіштік диодтар жазықтықтық және нүктелік болып бөлінеді, жасау технологиясы бойынша балқымалы, диффузиялық және эпитаксиалдық болады. Жазықтықтық диодтарды р-n өткелінің көлемі үлкен болғандықтан үлкен токтарды түзету үшін қолданады. Бұл диодтар негізінен жиілігі 50-60 Гц айнымалы кернеудің өнеркәсіптік желілерінде түзеткіштерді жасау үшін қолданылады. Р аймағына қосылған диод электродын анод деп атайды, ал n аймағына қосылған электродты катод деп атайды.

Диод құрылымы 2.2 а суретінде көрсетілген, оның принципиалдық схемадағы бейнесі 2.2 б суретінде, ал оның вольт-амперлік сипаттамасы 2.2 в суретінде көрсетілген.

Диодтың ашық қалпындағы вольт-амперлік сипаттамасын екі түзу сызықпен аппроксимациялауға болады(2.2 в сур.), сонда талдау, есептеу және модельдеуге қажетті параметрлерін (U_DO - табалдырықтық кернеу, r_d - динамикалық кедергі) анықтауға болады.

Диодтағы тура кернеуде және U_D < U_DO диод арқылы өтетін ток нөлге тең. U_D > U_D0 үшін диод мына кедергімен аппроксимацияланады:

r_d = U/ I.

Сонымен, ашық қалыптағы диод моделі сызықтық теңдеумен бейнеленеді. Жасанды коммутация, негізінен, алдын-ала зарядталған сыйымдылық арқылы жүргізіледі:

U_D=U_DO + r_dI_D.(2.1)

Жабық қалыпта диод кернеуі шексіз деп есептеледі, ал диод арқылы өтетін ток нөлге тең.

Күштік диодтар әдетте шектік рауалы статикалық және динамикалық параметрлер жиынтығымен сипатталады. Диодтың статикалық параметрлеріне жоғарыда қарастырылған табалдырықтық кернеумен динамикалық кедергі, сонымен қатар:

1) тура токтың кейбір мәндерінде диодтағы U_np кернеу құлауы;

2) кері кернеудің кейбір мәндеріндегі I _обр кері ток;

3) I _пр,_ср тура токтың орташа мәні.

Диодтардың паспорттық мәліметтерінде шектік рауалы параметрлер ретінде мыналары көрсетіледі:

1) I _{пр. max} максималды тура тогы;

2) U_o6p.max максималды тура кернеуі;

3) U_obpu импульстік тура кернеуі;

4) алдын-ала келісілген импульс ұзақтығында тура импульстік ток I _пр. ммп.

Диодтың динамикалық параметрлеріне оның уақыттық және жиіліктік сиапттамалары жатады:

1) кері кернеудің қалпына келу уақыты t восп;

2) тура токтың үдеме уақыты t_пар;

3) диод режимдерін төмендетпегендегі f max шектік жиілігі.

 

2.2 суреті.Диодтың құрылымы, шарттық графикалық бейнесі және вольт-амперлік сипаттамасы.

t = 0 уақыт мезетінде схема кірісіндегі U_m кернеуі оң мәніне ие болады. Диффузиялық процестің инерциялылығынан ток диодта бір мезетте пайда болмайды, t_wp уақыты барысында үдейді.Диодтағы токтың үдеуімен бірге диод кернеуі төмендеп t_nap -дан кейін U_np –ға тең болады. t уақыт мезетінде тізбекте стационарлық режим орнайды, диод тогы:

i = I_H **U_mIR_H.

2.3 суреті. Тиристордың құрылымы (а), шарттық графикалық бейнесі (б) және вольт-амперлік сипаттамасы (в).

 

Осындай жағдай t ₂ уақытына дейін қоректендіру кернеуі қарама-қарсыға ауысқанша сақталады. Алайда р-п-өткелі шекарасында жиналған зарядтар диодты біраз уақыт ашық қалпында ұстап тұрады, бірақ диод тогының бағыты қарама-қарсыға ауысады. Іс жүзінде р-п-өткелі шекарасында зарядтардың ыдырауы, басқаша айтқанда баламалық сыйымдылық разряды байқалады. t_pacc ыдырау уақыты интервалынан кейін диодты сөндіру, оның жабу қасиеттерін қалпына келтіру процесі басталады.

t ₃ уақыт мезетінде диодтағы кернеу нөлге тең және ақырында кері мәнге ие болады. Диодтың жабу қасиеттерін қалпына келтіру пролцесі t₄ уақыт мезетіне дейін созылады, содан кейін диод жабылады. Бұл уақытта диодтағы ток нөлге тең болып, ал кернеу - U_m,мәніне ие болады. Сонымен, t_вост уақытын U_D өткелінен диод тогының I_D = 0 мәніне дейін есептеуге болады.

Түзеткіштік диодты қосу және сөндіру процестерін қарастыру оның идеалды кілт еместігін және кейбір жағдайларда кері бағытта өткізгіштігі бар екендігін көрсетеді.

Тиристорлар. Тиристор төртқатпарлы жартылайөткізгішті құрылымы бар элемент болып табылады. Статикалық режимде тиристор келесі қалыптарда болуы мүмкін:

1) катодқа қатысты анодтағы кернеу оң болғанда жабық қалып;

2) ашық қалып.

Екінші қалыптан үшіншіге өту тиристордың қосылуы деп аталады. Ашық қалыптан жабық қалыпқа өту тиристордың сөндірілуі деп аталады. Басқару тогы көбейгенде қосылу кернеуі азаяды. Сонымен, тиристор қосылу кернеуі басқарылатын аспап болып табылады.

Қосылғаннан соң басқарушы электрод басқару қасиеттерінен айрылады, содықтан оның көмегімен тиристорды қосуға болмайды. Егер ұстау тогы нөлге тең болса тиристор өз еркімен қосылып кетуі мүмкін. Кейбір жағдайларда дәлме-дәл есептеу үшін оны ескеру қажет. Тиристордың негізгі параметрлері қосылу қалпында диод параметрлерін қайталайды (U_m - табалдырықтық кернеу, г_т – қосылған қалыптағы динамикалық кедергі).

2.4 суреті. Тиристорды ауыстырып-қосудың динамикалық процестері.

Тиристордың шектік рауалы параметрлеріне келесілері жатады:

1) U_o6p – рауалы кері кернеуі;

2) Iп_р – рауалы тура тогы.

Динамикалық параметрлерге t_вкл қосу және t_выкл сөндіру уақыты жатады. Тиристордың сенімді қосылуы үшін оның тез және сенімді қосылуын қамтамасыз ететін басқару тогы импульсінің бастапқы бөлігіндегі параметрлері – I_ymm амплитудасы, ұзақтығы және үдеме жылдамдығы белгілі талаптарға сай болуы қажет. Тиристор қосылғанда басқару электродына ток импульсі берілгеннен кейін тиристордың қосылуы үшін қажетті біраз уақыт өтеді. Резистивті жүктемеге қосылғандағы тиристор тогының және кернеуінің мезеттік мәндерінің қисықтары 2.4. суретінде келтірілген.

Тиристордағы ток удеуі процесі I_{У mах} бастапқы бөліктегі басқару тогы импульсінің амплитудасына тәуелді t_3ad кідіріс уақыты өткеннен кейін басталады. Кідіріс уақытында тиристор тогы I_уд ұстап тұру тогы мәніне дейін үдейді. Бұл ток әдетте I_д = 0,1I_H болып алынады. Басқару тогы айтарлықтай үлкен болса кідіріс уақыты микросекунда бөлігіне жетеді (0,1 ден 1...2 мкс-ге дейін).

Содан кейін аспап арқылы өтетін ток үдеуі болады, оны әдетте t_пар үдеу уақыты деп атайды. Тиристор қосылғаннан кейін басқару тогы импульсінің амплитудасын едәуір азайтуға болады.

Тиристорды сөндіру процесі үш фазадан құралады (2.4. сур.):

1) кері токтың тиристор арқылы үдеуі фазасы (t₁);

2) кері токтың нөлге дейін төмендеуі (t₂);

3) тиристордың жабу қасиеттерінің қалпына келуі (t₃).

Тек қана сөндіру уақыты t _ВЫКЛ = t₁ + t₂ + t₃ өткен соң тиристорға қайталап тура кернеу келтіруге болады.

Тиристор шығындары тура токтың өту шығындарымен басқару тізбегінің шығындарынан құралады. Тура токтың өту шығындары диодтардағыдай есептеледі.

Коммутациялық шығындар және басқару тізбегі шығындары тиристорды қосу және сөндіру тәсілдеріне тәуелді.

Тиристорды сөндіру тәсілдері (коммутация тәсілдері) екі түрлі болады:

1) желі коммутациясы (табиғи);

2) жасанды коммутация, негізінен, алдын-ала зарядталған сыйымдылық арқылы жасалады.

Әдебиет: қос.5 [5-10].

Бақылау сұрақтары:

1. Жартылайөткізгіштік аспаптар қандай элементтерден жасалынады?

2. Диодтар мен тиристорлардың вольт-амперлік сипаттамаларын көрсетіңіз.

3. Тиристорлардың түрлерін атап өтіңіз.

4. Тиристорлардың жұмысын олардың сипаттамаларының көмегімен түсіндіріп беріңіз.

5. Тиристорларды сөндіру фазаларын көрсетіңіз.