Тема: Электронные ключи

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

  1. Коллектор.
  2. Эмиттер.
  3. База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

  1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
  2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
  3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
  4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15… 14 А, напряжений 50… 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления.

Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h21Э).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

  1. P-N-P.
  2. N-P-N.

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

  1. Биполярный транзистор.
  2. Резистор для ограничения входного тока.
  3. Полупроводниковый диод.
  4. Электромагнитное реле.
  5. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор — эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база — эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером.

Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Силовые электронные ключи

Электронным ключом называется устройство для замыкания и размыкания силовой электрической цепи, содержащее по крайней мере один управляемый вентильный прибор (вентиль) — электронный прибор, проводящий ток в одном направлении. На основе двух или более вентильных приборов были созданы двунаправленные ключи, проводящие ток в двух направлениях. Термин «силовой» означает, что осуществляется управление потоком электрической энерг ии, а не потоком информации. К «силовым» приборам принято относить приборы с максимально допустимым значением среднего тока свыше 10 А или импульсным током свыше 1000 А. В настоящее время функции силовых электронных ключей выполняют силовые полупроводниковые приборы, физической основой которых являются полупроводниковые структуры с различными типами электронной проводимости.

Читайте также:  Как работать с Rutoken и Rutoken ЭЦП

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 прибора в различных режимах его работы.

Статическим режимом работы ключа называется установившийся после переключения режим его работы в одном из следующих состояний: включенном (проводящем) или выключенном (непроводящем). Основной характеристикой ключа в этом режиме является статическая ВАХ. В отличие от идеального ключа (рис. 12.1) ВАХ реального ключа в прово-

Идеальный ключ

Рис. 12.1. Идеальный ключ:

а — условное обозначение ключа; б — статическая ВАХ

дящем состоянии имеет прямое падение напряжения Аг/?, а в непроводящем — пропускает остаточный ток /5 (прямой или обратный). На рис. 12.2, а приведена статическая ВАХ ключа с односторонней проводимостью прямого тока, например полупроводникового диода. В общем случае она описывается аналитическими уравнениями. Для упрощения анализа цепей, содержащих электронные ключи, ВАХ последних аппроксимируются более простыми математическими функциями (рис. 12.2,6), позволяющими посредством несложных математических преобразований произвести предварительную оценку установившихся электрических параметров цепи, содержащей такие элементы.

На аппроксимированной ВАХ (рис. 12.2,6) начальный участок при прямом напряжении представлен отрезком Аи<;, а углы апр и рпр соответствуют наклону аппроксимированных ВАХ в прямом и обратном направлениях.

Динамические режимы работы ключа называется его работа в процессе перехода из одного состояния (например, включенного) в другое (например, выключенное) и наоборот. Применительно к ключам, рабо-

Пример статических ВАХ полупроводниковых ключей

Рис. 12.2. Пример статических ВАХ полупроводниковых ключей:

а — типовая ВАХ диода; б — аппроксимированная ВАХ диода тающим в электрических цепях, такие процессы называют также коммутационными, так как они соответствуют включению (отключению) цени в электрической схеме или переводу тока из одной ветви электрической схемы в другую.

Одной из основных характеристик работы ключа в динамическом режиме является динамическая ВАХ, которая представляет собой зависимость напряжения на ключе и$ от протекающего в нем тока в переходном процессе. Динамические ВАХ называют также траекториями переключения (коммутации) электронного ключа. Переходные процессы в ключах зависят от быстродействия и параметров элементов электрической цепи.

Статические и динамические ВАХ ключевых приборов позволяют не только оценивать потери в них мощности, но и определять область их безопасной работы.

Диод — полупроводниковый прибор с двумя выводами, связанными с областями различных типов электрической проводимости: электронной — «-типа и дырочной —//-типа. На границе этих областей возникает электронно-дырочный переход, физические явления в котором позволяют изменять проводимость диода, придавая ему свойства электронного ключа с односторонней проводимостью и неполной управляемостью. Вывод диода со стороны //-области называют анодом (А), а со стороны /7-области — катодом (С) (рис. 12.3). При подключении внешнего источника напряжения к аноду «минусом» относительно катода (такое подключение относительно //-«-перехода называют обратным) состояние равновесия зарядов в диоде нарушается и в диоде протекает небольшой ток /. Этот ток слабо зависит от обратного напряжения ик . Увеличение напряжение ик приводит к возникновению пробоя, сопровождаемого резким увеличением электрической проводимости диода, и к его возможному разрушению. При подключении к диоду внешнего источника прямого напряжения иР («плюс» источника — к //-области, а «минус» — к п- области) напряжение потенциального барьера в электронно-дырочном переходе снижается, в результате в диоде протекает прямой ток гр.

Скорости спада и нарастания тока в диоде зависят от его конструкции, параметров подключенной цепи и др. Следует отметить, что из-за накоп-

Подключение диод» к внешней цепи

Рис. 12.3. Подключение диод» к внешней цепи:

а — обозначение диода; б — схема подключения напряжения обратной полярности; в — схема подключения напряжения прямой полярности ления диодом в проводящем состоянии избыточных носителей электрических зарядов его выключение сопровождается незначительным по значению и быстро прекращающимся обратным током. Это явление может вызывать на диоде опасные перенапряжения. Одним из распространенных средств борьбы с этим является шунтирование диода демпфирующей ЛС-цепью.

По основным параметрам и назначению диоды принято разделять на три группы: общего назначения, бысгровосстанавливающиеся и диоды Шоттки.

Диоды общего назначения имеют высокие значения обратного напряжения (до 10 кВ) и прямого тока (до 10 кА). Массивная структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления (выключения) диодов обычно находится в диапазоне 25—100 мкс, что ограничивает их использование в цепях с частотой не выше 500 Гц. Как правило, они работают в промышленных сетях с частотой 50 (60) Гц. Прямое падение напряжения на диодах этой группы достигает 2,5—3 В в приборах высокого напряжения. Диоды общего назначения выпускаются в различных корпусах. Наибольшее распространение получили штыревое и таблеточное исполнения (рис. 12.4).

Конструкции диодов

Рис. 12.4. Конструкции диодов:

а — штыревая; б — таблеточная

Быстровосстанавливающиеся диоды. При производстве этой группы диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время их обратного восстановления. В частности, применяется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается снизить время обратного восстановления до 3 — 5 мкс. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения. Допустимые значения тока составляют от 10 А до 1 кА, обратного напряжения — от 50 В до 3 кВ. Наиболее быстродействующие диоды напряжением до 400 В и током 50 А имеют время обратного восстановления 0,1—0,5 мкс. Такие диоды можно использовать в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10 кГц и более.

Диоды Шоттки. Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. Для силовых диодов в качестве полупроводника используется обедненный слой кремния /7-типа. При этом в области перехода со стороны металла имеет место отрицательный заряд, а со стороны полупроводника — положительный. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей заряда — электронов. Диоды Шоттки, таким образом, являются униполярными приборами с одним типом основных носителей заряда. Отсутствие неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления приборов обычно составляет не более 0,3 мкс, падение прямого напряжения — примерно 0,3 В. Значения обратных токов в этих диодах на 2 — 3 порядка выше, чем в диодах с /;-/7-переходом. Диапазон предельных обратных напряжений обычно ограничивается 100 В, поэтому диоды Шоттки используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.

Силовой транзистор — эго электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии. В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении, и большинство их типов не выдерживают обратного напряжения.

Читайте также:  Смесители Cezares и BelBagno купить в Москве

По принципу действия различают следующие основные классы силовых транзисторов: биполярные, полевые, среди которых наиболее распространены транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (англ. MOS — metal oxide semiconductor), и биполярные с изолированным затвором (МОПБТ) (англ. IGBT — insulated gate bipolar transistor).

Биполярные транзисторы состоят из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоев структуры различают транзисторы п-р-п- и р-п-р-типов (рис. 12.5). Среди силовых транзисторов более распространены транзисторы п-р-п-типа. Средний слой структуры таких транзисторов называют базой ). Внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители, называется эмиттером (?), собирающий носители — коллектором (С). Каждый слой структуры имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения.

Из принципа действия биполярных транзисторов следует, что токи эмиттера и коллектора зависят от значения тока базы, который в схемах электронных ключей является током управления. Следовательно, биполяр-

Структуры и символы биполярных транзисторов

Рис. 12.5. Структуры и символы биполярных транзисторов:

а — л-р-и-типа; бр-п-р-типа

ные транзисторы могут рассматриваться как электронные ключи, которые управляются током. Биполярные транзисторы на ток 50 А и более обычно рассчитаны на напряжение менее 600 В и частоту коммутации до 20 кГц. Применение силовых электронных ключей на основе биполярных транзисторов связано с необходимостью больших затрат мощности на их управление и, кроме того, ограничено относительно низкой рабочей частотой.

Полевые транзисторы (МОП-транзисторы). Принцип действия этих транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля. В качестве диэлектрика обычно используются оксиды, например диоксид кремния БЮ-,.

Различают МОП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. Оба типа приборов имеют выводы из структуры транзисторов: сток О, исток 5, затвор С, а также вывод от подложки В, соединяемой обычно с истоком. В зависимости от типа электрической проводимости канала различают также транзисторы с«-и /»-типами каналов. На рис. 12.6 изображены структуры и символы МОП-транзисторов с каналами и-тина. Для снижения сопротивления областей, соединенных с выводами транзистора, их выполняют с повышенным содержанием носителей заряда и обозначают дополнительным верхним индексом, например /7 -типа. В МОП-транзисторах с индуцированным каналом последний образуется только при подаче напряжения соответствующей полярности на управляющий затвор относительно объединенных выводов истока и подложки, т.е. они работают в режиме обогащения носителями зарядов, что позволяет управлять током стока.

В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи сток—исток протекает и при отсутствии напряжения на затворе. Для управления этим 422

Структуры и символы МОП-транзисторов с проводящим каналом /1-типа

Рис. 12.6. Структуры и символы МОП-транзисторов с проводящим каналом /1-типа:

а — с индуцированным каналом; б — со встроенным каналом

током на затвор может подаваться напряжение как больше нуля для обогащения канала, так и меньше нуля для его обеднения носителями.

Принципиальным отличием МОП-транзисторов от биполярных является то, что они управляются напряжением, а не током. Основные процессы в МОП-транзисгорах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие. Поэтому МОП-гранзисторы называются также униполярными транзисторами.

Допустимые значения коммутируемых токов МОП-транзисторов сильно зависят от напряжения. Например, при токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В, сопротивление проводящего канала примерно 0,5 Ом, частота коммутации обычно не превышает 100 кГц.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (МОПБТ). Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию МОПБТ. Выполненный в одном кристалле, он имеет низкие значения мощности потерь во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевых транзисторов.

На рис. 12.7 представлены структура, эквивалентная схема и символ МОПБТ с каналом «-типа. Эта структура во многом подобна структуре МОП- транзистора. Принципиальная разница заключается в наличии нижнего слоя с

Структура (я), эквивалентная схема (б) и символ (в) биполярного транзистора с изолированным затвором

Рис. 12.7. Структура (я), эквивалентная схема (б) и символ (в) биполярного транзистора с изолированным затвором

проводимостью //-типа, который придает МОПБТ свойства биполярного транзистора.

При отсутствии напряжения на затворе транзистор закрыт. Включение транзистора с каналом п- типа осуществляется подачей положительного напряжения на затвор относительно истока (эмиттера). Коммутируемые токи современных силовых МОПБТ (в модульном исполнении) достигают 1,2 кА при напряжении 3,5 кВ, а частота в зависимости от нагрузки находится в диапазоне 10—100 кГц.

Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более /;-н-переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Обычный тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т.е. включаться. Для его выключения необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристор имеет четырехслойную структуру р-п-р-п с тремя выводами: анод А, катод С и управляющий электрод С (рис. 12.8).

Обычный тиристор

Рис. 12.8. Обычный тиристор:

а — обозначение; б — структура; в — представление в виде двух трехслойных структур; г — эквивалентная схема замещения

Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур: р-п-р и п-р-п, эквивалентных биполярным транзисторам. В этом случае ток анода тиристора 1Л может быть выражен через обратные токи (тепловые токи коллекторных переходов) эквивалентных биполярных транзисторов УТ1 и УТ2. Такая схема соединенных трехслойных структур содержит внутренние положительные обратные связи. Увеличение тока управления тиристора /с приводит к включению транзистора УТ2 и соответственно к увеличению тока базы транзистора УТ1 и его включению. Благодаря положительной обратной связи между этими эквивалентными транзисторами включение тиристора начинает лавинообразно развиваться до состояния, когда ток ограничен сопротивлением нагрузки. При этом ток открытого тиристора должен превышать минимальное значение, удерживающее тиристор в открытом состоянии. Для ускорения включения передний фронт импульса управления должен быть крутым, иметь амплитуду, указанную в технических условиях на применение в конкретных условиях, а длительность импульса зависит от параметров схемы и алгоритма ее работы.

Учитывая неполную управляемость тиристора, различают естественный и принудительный (искусственный) способы выключения. Первый способ используется для выключения тиристора в цепи переменного тока при изменении полярности последнего. Второй способ основан на подключении к выключаемому тиристору источника энергии, способного развить ток, направленный встречно прямому току выключаемого тиристора, обеспечив спадание последнего до нуля, т.е. выключение тиристора. При этом следует отметить, что для восстановления тиристором запирающей способности к напряжению после прохождения прямого тока через нуль необходимо обеспечить паузу длительностью от единиц до сотен микросекунд для восстановления запирающих свойств тиристора в зависимости от его типа. На рис. 12.9 представлен пример схемы принудительного выключения тиристоров в цепи постоянного тока посредством предварительно заряженного конденсатора Ск. После прохождения тока ?у5 через нуль к тиристору вновь может быть приложено прямое напряжение илс в течение времени 1 > / и запирающие свойства тиристора восстанавливаются.

Способ выключения тиристоров

Рис. 12.9. Способ выключения тиристоров

Тиристоры являются электронными ключами большой мощности, способными коммутировать цепи с напряжением до 10 кВ и токами до 10 кА. В то же время частота таких приборов обычно не превышает 1 кГц. Конструктивные исполнения тиристоров и силовых диодов во многом сходны.

Читайте также:  Домофонный мультиключ и всё про имитацию «таблеток» / Хабр

Существует большое разнообразие типов тиристоров, весьма различных по своим характеристикам и функциональным возможностям (рис. 12.10). Среди них следует выделить: запираемые тиристоры; быстродействующие тиристоры для инверторов (с временем выключения менее 10 мкс);

Типы тиристоров

Рис. 12.10. Типы тиристоров:

а — запираемый тиристор; б — дини- стор; в — диод-тиристор; г — сими- стор; д — оптотиристор

объединенные конструктивно нары встречновключенных тиристоров (сими- сторы, или триаки);

асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен со встречновключенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока;

оптотиристоры, управляемые световым потоком;

диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения.

Неполная управляемость обычных (традиционных) тиристоров существенно снижает эффективность их применения. Для устранения этого недостатка созданы и продолжают разрабатываться тиристоры, запираемые по управляющему электроду. Среди них чаще всего выделяют три типа запираемых тиристоров:

запираемый тиристор (англ. GTO — gate turn-off thyristor), переключаемый в открытое состояние и наоборот путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности;

тиристор, переключаемый по управляющему электроду (англ. GCT — gate commutated thyristor), и его разновидность — тиристор, переключаемый по управляющему электроду с интегрированным управлением (англ. IGCT — integrated gate commutated thyristor), отличающийся наличием интегрированной с тиристором схемы управления;

тиристор с нолевым управлением (англ. МСТ — MOS—control thyristor), содержащий два полевых транзистора, один из которых обеспечивает процесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а второй — аналогично процесс выключения тиристора.

Тиристоры СТО и GCT способны блокировать напряжение до 6 кВ и управлять током 6 кА. При этом GCT превосходит СТО по быстродействию и стойкости к скоростям напряжения и тока. Коэффициент усиления по току управления в GCT равен 1, что в 3 — 5 раз выше, чем в GTO. В то же время длительность тока управления в GCT не превышает 1 мкс.

Тиристоры типа МСТ имеют ряд принципиальных преимуществ перед тиристорами типа СТО и вСТ в части быстродействия и более простой реализации управления. Современные образцы МСТ показывают способность коммутировать мощности свыше 10 МВт при частоте 10 кГц.

Тема: электронные ключи

Тема: Достоинства и недостатки полупроводниковых силовых ключей.

Полупроводниковые силовые электронные ключи обладают следующими преимуществами по сравнению с коммутационными контактными аппаратами:

— отсутствие подвижной механической системы;

— бездуговая коммутация цепей, отсутствие электрического износа;

— очень высокое быстродействие, возможность плавного управления и регулирования тока;

— надёжная работа во взрывоопасных и агрессивных средах;

— возможность управления силовыми ключами при помощи маломощных сигналов;

— возможность управления сигналами малой величины в коммутируемых цепях;

— высокая стойкость к ударным механическим нагрузкам и вибрациям;

— отсутствие акустического шума во время работы.

Наряду с неоспоримыми преимуществами, силовым электронным ключам присущи следующие недостатки:

— зависимость электрических параметров от температуры, приложенного напряжения, наличия источников проникающей радиации и др.;

— существенные различия в электрических параметрах ключей одного типа и класса;

— невысокая глубина коммутации, т.е. отношение электрического сопротивления ключа в отключенном и включенном состояниях;

— отсутствие видимого разрыва цепи в выключенном состоянии, наличие остаточного тока, отсутствие гальванической развязки в коммутируемой цепи;

— ключи обладают односторонней проводимостью тока и способны работать при напряжении одной полярности, за исключением отдельных интегральных или гибридных приборов, сочетающих качества различных полупроводниковых элементов;

— в состоянии высокой проводимости прямое падение напряжения на ключе составляет не менее 0,7-1,5 В (до 3-х В), что обусловлено контактной разностью потенциалов на границе полупроводниковых слоёв; отсюда – существенные потери мощности, преобразующиеся в теплоту и необходимость применения охладителей;

— невысокая устойчивость к электрическим перегрузкам;

— требуются специальные схемотехнические решения по защите ключей от перегрузок по напряжению и току, а также по скорости нарастания тока di/dt и напряжения du/dt;

— возможны ложные переключения от случайных импульсов с малой продолжительностью, которые могут проникнуть в цепь управления ключом при близких ударах молний, дуговых разрядах в контактных аппаратах, электросварке и т.д.

Электронным ключом называется устройство для замыкания и размыкания силовой электрической цепи, содержащее по крайней мере один управляемый вентильный прибор. Вентильный прибор (вентиль) — электронный прибор, проводящий ток в одном направлении. На основе двух или более вентильных приборов создаются двунаправленные ключи, проводящие ток в двух направлениях. Понятие «силовой» означает, что осуществляется управление потоком электрической энергии, а не потоком информации. К «силовым» приборам формально принято относить приборы с максимально допустимым значением среднего тока свыше 10 А или импульсным током свыше 1000 А. Функции силовых электронных ключей в настоящее время выполняют силовые полупроводниковые приборы, физической основой которых являются полупроводниковые структуры с различными типами электронной проводимости.

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.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение силовой электроники.

2. Перечислите достоинства и недостатки полупроводниковых силовых ключец.

3. Какое устройство называется электронным ключем?

Домашнее задание:

§

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

  1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
  2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
  3. Через канал «коллектор — эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения.

Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

  1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
  2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector