Защита транзисторов от пробоя.

С целью защиты транзистора от возможного пробоя обычно формируют траекторию его переключения при работе в ключевом режиме. Для этого к транзистору подключают дополнительные цепи, содержащие резисторы, емкости, диоды и стабилитроны. Параметры этих цепей или рассчитывают, или находят экспериментальным путем. Некоторые из таких схем приведены на рис.1.83.

Простейшая цепь, используемая при индуктивной нагрузке транзистора, состоит из последовательно соединенных элементов R и C, как показано на рис.83,а. Эта цепь работает следующим образом. При запирании транзистора с индуктивной нагрузкой ток в индуктивности, не меняя своего значения и направления, поступает в RC -цепь и заряжает конденсатор C. При этом часть энергии, запасенной в индуктивности, будет израсходована в резисторе R. Благодаря этому исключается импульс большой амплитуды на коллекторе транзистора. Элементы такой цепи рассчитываются по формулам:

где U_м – разность между напряжением источника питания E_к и максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер.

Вместо RC -цепи можно использовать диодно-резистивную цепь, представленную на рис.1.83,б. В этой схеме при запирании транзистора отпирается диод D, и через него проходит ток индуктивной нагрузки. Для снижения амплитуды импульса тока в диоде последовательно с ним иногда включается сопротивление R. Перепад напряжения на транзисторе равен прямому падению напряжения на диоде, т.е. практически отсутствует.

Рис.1.83. Защита транзистора от лавинного пробоя:

а) при помощи RC –цепи; б) при помощи шунтирующего диода; в) при помощи стабилитрона

Для ограничения выброса напряжения на коллекторе транзистора при его запирании можно использовать ограничитель на стабилитроне D, как показано на рис.1.83,в Все рассмотренные цепи ограничивают предельное напряжение на транзисторе и тем самым предохраняют транзистор от попадания в режим лавинного пробоя.

Для защиты транзистора от перегрева и связанного с этим теплового пробоя применяют радиаторы, к которым крепится корпус транзистора. Применение охладителей позволяет уменьшить перегрев транзистора.

Наиболее сложной проблемой является защита транзисторов от вторичного пробоя. При развитии вторичного пробоя транзистор теряет управление по базе, и даже подавая на базу обратное смещение, запереть его нельзя. Единственным способом защиты транзистора в этом случае является распознавание развития вторичного пробоя во время задержки и шунтирование выводов коллектор-эмиттер транзистора с помощью быстродействующего тиристора.

Тиристоры.

Для электроники, применяющейся в судовой элктроэнергетике, характерна необходимость передачи больших мощностей, возможность управления мощной нагрузкой. Это и системы возбуждения синхронных генераторов судовой электростанции, и сварочные аппараты постоянного тока, и гребной электропривод. Разработки в области полупроводниковых элементов привели к созданию прибора "тиристор" (название дано по аналогии с тиратроном, только окончание взято от слова "резистор", то есть получилось "сопротивление, которое может открыться"). Характерной его особенностью является неоднозначная S- образная вольтамперная характеристика.

Поэтому тиристором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с тремя или более p-n -переходами, используемый для переключения, в вольтамперной характеристике которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления. Простейшим тиристором является динистор.

Д и н и с т о р - неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа р-n-р-n (рис. 1.84, а). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние n-p-n -переходы называются эмиттерными, а средний p-n- переход - коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n -областью, называется катодом, а с внешней p- областью - анодом. При включении динистора по схеме конструкции, приведенной на рис. 1.84,а, коллекторный p-n -переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. При повышении прямого напряжения U_пр (см. рис.1.84.б) от нулевого значения прямой ток Iпр медленно увеличивается (участок «I»)

Рисунок 1.84. Динистор:

а) условное обозначение и конструкция; б) ВАХ динистора.

Участок кривой «II» на ВАХ называют участком с «отрицательным сопротивлением». Напряжение, при котором включается динистор, называют напряжением включения U_вкл. В открытом состоянии динистор будет находится до тех пор, пока через него проходит ток, равный току удержания I_уд (точка Б на участке «III» рис. 1.84,в). Номинальное значение прямого тока динистора определяется резистором Rн.

Приведем пример применения динисторов в простейших схемах люминесцентного освещения. В составе пускорегулирующего аппарата (ПРА) вместо стартеров тлеющего разряда (рис 1.85,а) можно с успехом использовать динисторы, что непременно экономит время судовому персоналу на замену вышедших из строя стартеров и делая схему бесконтактной, не создающую помех и,естественно, более живучей.

Вольтамперная характеристика динистора имеет участок с отрица­тельным дифференциальным сопротивлением.

В пусковом режиме (рис. 1.85,б) при подаче на лампу напряжения питания в каждый положительный полупериод динистор остается закрытым до тех пор, пока мгновенное напряжение, приложенное к динистору, ниже включа­ющего напряжения. Сопротивление динистора в закрытом состоянии состав­ляет несколько десятков мегаОм, поэтому ток в цепи будет весьма малым.

После переключения динистора в проводящее состояние в цепи устанавливается ток предварительного подогрева и начина­ется процесс подогрева электродов. Напря­жение на лампе при этом снижается при­мерно до 2В (остаточное напряжение на динисторе VD1 и падение напряжения на диоде VD2). Диод в схему включают в слу­чае, когда обратное напряжение динистора меньше напряжения в сети.

Рисунок 1.85. Схемы подключения люминесцентных ламп:

а) стартерная; б) с динистором; в) усовершенствованная.

В отрицательные полупериоды динистор закрыт, ток через электроды лампы не проходит, и напряжение на лампе равно напряжению сети. Опи­санный процесс автоматически повторяется до тех пор, пока электроды лампы не прогреются, и в лампе не возникнет дуговой разряд. После зажигания лампы напряжение на ней снизится до рабочего напряжения, и динистор останется закрытым, если рабочее напряжение на лампе ниже напряжения включения динистора.

Процесс зажигания лампы в схеме с динистором по сравнению с обыч­ной стартерной схемой имеет то отличие, что разрыв контактов стартера может произойти в любой момент (при различных значениях тока предва­рительного подогрева, в том числе и при максимальном), а в схеме с динистором — в момент его выключения. Время зажигания лампы для ПРА с динистором обычно составляет 0,5...2 секунды.

На рис.1.85,в показана схема, в которой применены два динистора и RC -цепочка. В момент включения схемы конденсатор С через диод и резистор R1 заряжается, и напряжение на нем близко к амплитудному напряжению сети. Как только напряже­ние на С станет равным напряжению включения динистора VD3, он включа­ется, и все напряжение сети будет при­ложено к динистору VD2, который тоже включается. После этого начинается ре­жим прогрева электродов лампы. Дальше эта схема работает так же, как и схема на рис. 1.85,б.

Т р и н и с т о р, у которого имеется вывод от одной из баз, называется триодным тиристором. Дополнительный третий вывод называется управляемым электродом (УЭ).

Тринистор по сравнению с динистором имеет возможность управлять напряжением включения с помощью цепи управления УЭ – катод, причем мощность в этой цепи значительно меньше мощности силовой цепи анод – катод. Тринистор являются усилителем с коэффициентом усиления К= 104 ÷106.

Принципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если включение динистора происходит при повышении напряжения между анодом и катодом, то в тринисторе для этого используют подачу импульса тока определенной длительности и величины на управляющий электрод при положительной разности потенциалов между анодом и катодом.

Рисунок 1.86. Тринистор:

а) условное обозначение и конструкция; б) ВАХ тринистора.

Тринисторы являются наиболее распространенными приборами из «тиристорного» семейства.

Выключение тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения I_h, либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом.

Тиристоры могут быть не запираемыми и запираемыми. В не запираемом УЭ используется только для отпирания, т.е. для переключения тиристора в открытое состояние, а в запирающих тиристорах посредством сигнала на УЭ можно как открывать, так и закрывать тиристор.

Структура не запираемого тиристора и условное обозначение приведены на рис. 1.86,а. Прибор состоит из четырех p- и n- областей. Кроме анода и катода имеется еще и управляемый электрод (УЭ), который может быть присоединен к базовым р- или n – областям.

На рис. 1.86,б показано семейство ВАХ тиристора. Если входной ток УЭ равен нулю, а напряжение подано в прямом направлении на анод и катод, тиристор переключается как динимтор при внешнем напряжении U_вкл (точка Б на графике). При увеличении напряжения в цепи управления растет ток управления, что приводит к уменьшению напряжения включения тиристора U_вкл.

Тринистор имеет два устойчивых состояния: первое характеризуется малым прямым током через тиристор и большим падением напряжения в нем; второе соответствует большому прямому току и малому падению напряжения на тиристоре. На рис. 1.86,б это подтверждается пересечением линии нагрузки на ВАХ в трех точках - А и Д устойчивых, и В неустойчивой. Управление тиристором осуществляется при его включении в проводящее (открытое) состояние. После этого тринистор становится неуправляемым. Для запирания тринистора необходимо уменьшить его прямой ток до значения, не превышающего ток удержания I_уд (точка Г на рис. 1.86,б) или подать напряжение обратной полярности, или снять напряжение питания анод – катод.

В качестве примера использования тринисторов приведем схему замка на двери судового помещения с особым режимом посещения. Замок собран на триодных тиристорах (тринисторах) и открывается в результате определенного порядка нажатия кнопок с промежутком в несколько секунд. Электрическая схема замка дана на рис.1.87.

Рисунок 1.87. Принципиальная схема кодового замка на тринисторах.

Открывается замок с помощью кнопок SB1...SB10, которые установлены перед входной дверью. Первыми замыкают контакты SB7, что приводит к быстрой зарядке конденсатора С1. Ток заряда протекает через управляющую цепь тринистора VD1 и включает его. После размыкания контактов SB7 происходит разряд конденсатора С1 через резистор R1. Через включенный тринистор VD1 и резистор R2 происходит зарядка конденсатора С2 до напряжения 4В. Затем замыкают контакты SB8, конденсатор С2 быстро разряжается через управляющую цепь тринистора VD2 и включает этот тринистор. После того как зарядится СЗ, замыкают контакты SB9, а по прошествии нескольких секунд включают контакты SB10. В итоге включаются тринисторы VD3 и VD4. Последний тринистор включает исполнительный механизм M1 (электропривод задвижного механизма).

При такой системе замыкания контактов секретность замка довольно высокая, благодаря тому, что контакты SB7...SB10 нужно замыкать по одному в строгой очередности и с промежутками в несколько секунд. Контакты SB1...SB6 представляют собой контакты ловушки, которые необходимы для повышения секретности замка. Если замкнуть один из этих контактов, то цепь питания тринисторов VD1... VD3 окажется замкнутой накоротко. Напряжение питания с тринисторов будет снято и они отключатся. В этом случае код придется набирать снова. Источник питания замка от короткого замыкания защищает резистор R8.

Секретность замка можно выразить в цифрах, например, числом вариантов кода в данной схеме. Для данной схемы секретность равна 5000. Секретность замка можно повысить, если увеличить число ложных контактов до 16. В этом случае секретность равна 100000. Такого же повышения секретности замка можно достигнуть, если в схему замка добавить еще один тринистор, включенный аналогично VD2 и VD3.

С и м и с т о р. Структура симистора представлена на рис.1.88,а. Вольтамперная характеристика симистора изображена на рис 1.88,в. Ветви характеристик в первом и третьем квадрантах отображают работу симистора при разных полярностях напряжения на его электродах. При отсутствии тока управления симистор отпирается напряжением любой полярности, превышающим напряжение включения U_вкл. Если ток I_упр >0, симистор работает аналогично двум встречно включенным диодам.

Рисунок 1.88. Симистор:

а) структурная схема: б) условное обозначение; в) ВАХ.

В качестве примера приведем схему переносного зарядного устройства для зарядки стартерных аккумуляторных батарей шлюпочных двигателей (рис. 1.89).

Рисунок 1.89. Зарядное устройство для зарядки стартерных аккумуляторов.

В основу устройства положен симисторный регулятор с дополнительно введенными маломощным диодным мостом VD1 - VD4 и резисторами R3 и R5.

После подключения устройства к сети при плюсовом ее полупериоде (плюс на верхнем по схеме проводе) начинает заряжаться конденсатор С2 через резистор R3, диод VD1 и последовательно соединенные резисторы R1 и R2. При минусовом полупериоде сети этот конденсатор заряжается через те же резисторы R2 и R1, диод VD2 и резистор R5. В обоих случаях конденсатор заряжается до одного и того же напряжения, меняется только полярность зарядки.

Как только напряжение на конденсаторе достигнет порога зажигания неоновой лампы HL1, она зажигается и конденсатор быстро разряжается через лампу и управляющий электрод симистора VS1. При этом симистор открывается. В конце полупериода симистор закрывается. Описанный процесс повторяется в каждом полупериоде сети.

Общеизвестно, например, что управление тиристором посредством короткого импульса имеет тот недостаток, что при индуктивной или высокоомной активной нагрузке анодный ток прибора может не успеть достигнуть значения тока удержания за время действия управляющего импульса. Одной из мер по устранению этого недостатка является включение параллельно нагрузке резистора.

В описываемом зарядном устройстве после включения симистора VS1 его основной ток протекает не только через первичную обмотку трансформатора Т1, но и через один из резисторов - R3 или R5, которые в зависимости от полярности полупериода сетевого напряжения поочередно подключаются параллельно первичной обмотке трансформатора диодами VD4 и VD3 соответственно.

Этой же цели служит и мощный резистор R6, являющийся нагрузкой выпрямителя VD5, VD6. Резистор R6, кроме того, формирует импульсы разрядного тока, которые продлевают срок службы батареи.