Релейный режим работы полупроводникового усилителя

В цепях постоянного и выпрямленного тока транзистор можно рассматривать как управляемое активное сопротивление. Пределы изменения этого сопротивления очень широки, что позволяет использовать транзисторы для создания разнообразных бесконтактных электрических аппаратов управления и защиты.

Рассмотрим схему усилителя с общим эмиттером.

В зависимости от тока базы изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором, в результате, изменяется и ток через нагрузку R_н. При отрицательном токе управления – I_{у 0} через нагрузку протекает минимальный ток I_{К 0}, причем по модулю эти два тока равны. Этот режим называется режимом отсечки.

Если ток управления уменьшить до нуля, а затем увеличивать в положительной области, то ток в нагрузке растет. При токе в базе I_БН наступает режим насыщения транзистора. В этом режиме сопротивление между эмиттером и коллектором мало и ток в нагрузке определяется ее сопротивлением R_н. Ток управления, необходимый для перевода из режима отсечки в режим насыщения называется током переключения I_у.п.

Чем выше коэффициент усиления по току β = ∆ I_К / ∆ I_Б, тем круче зависимость I_К (I_Б).

Напряжение перехода база-эмиттер в режиме насыщения для кремниевого транзистора составляет 0,6…0,7 В, для германиевого транзистора 0,2…0,3 В. Зная ток нагрузки можно рассчитать сопротивление R _б:

Чтобы транзистор закрылся полностью, необходимо уравнивать потенциалы базы и эмиттера при отключении управляющего напряжения. Для этого используется резистор R _бэ. Обычно его величину выбирают в 10 раз больше R _б.

На активно-индуктивной нагрузке при переходе из режима насыщения в режим отсечки наводится большая ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС может быть настолько большой, что произойдет пробой транзистора. Для снятия таких перенапряжений нагрузка шунтируется диодом.

Для получения релейного режима число усилительных каскадов должно быть не менее двух.

Переход транзистора из одного состояния в другое происходит с задержками времени (от долей до единиц микросекунд). Быстродействие транзисторного ключа зависит от частотных характеристик используемого транзистора.

Вместо биполярного транзистора может быть использован полевой транзистор с изолированным затвором, его затвор изолирован от силовой схемы и управление производится электрическим полем, а ток управления достигает микроампер. Это позволяет, используя один-два транзистора, управлять с их помощью нагрузкой большой мощности (до десятков ампер и сотен вольт).

При работе с высокими напряжениями (выше 1000 В) и большой мощностью применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы). Основное применение IGBT – это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Тиристоры, симисторы

Тиристоры и симисторы – это ключевые полупроводниковые элементы, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний – проводящем (открытом) и непроводящем (закрытом). Перевод из непроводящего в проводящее состояние осуществляется относительно слабым постоянным или импульсным сигналом.

Эти свойства обуславливают основное предназначение тиристоров и симисторов как ключевых элементов для коммутации токов в нагрузке.

Отключение тиристора произойдет, в частности, если была разомкнута цепь нагрузки или напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого полупериода переменного напряжения питания). Когда тиристор работает при постоянном токе, отключение может быть произведено с помощью механического выключателя.

Включенный параллельно основным электродам тиристора ключ шунтирует анодный ток, и тиристор при этом переходит в закрытое состояние. Некоторые тиристоры повторно включаются после размыкания ключа. Это объясняется тем, что при размыкании ключа заряжается паразитная емкость р-n перехода тиристора, вызывая помехи.

Механический выключатель можно заменить вспомогательным тиристором или ключевым транзистором.

Тиристоры в открытом состоянии проводят ток только в одном направлении, симисторы – в двух. Таким образом, один симистор может заменить два встречно-параллельно включенных тиристора. Поэтому решения на симисторах представляются более экономичными.

При отсутствии управляющего тока симистор во время любого полупериода переменного напряжения питания неизбежно переходит из состояния проводимости в закрытое состояние.

Кроме работы в релейном режиме в термостате или светочувствительном выключателе, разработаны и широко используются системы регулирования, функционирующие по принципу фазового управления напряжением нагрузки, или, другими словами, плавные регуляторы.

Симистор накладывает ряд ограничений при использовании, в частности при индуктивной нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения напряжения (dV/dt) между анодами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt.

Действительно, во время перехода симистора из закрытого состояния в проводящее внешней цепью может быть вызван значительный ток. В то же время мгновенного падения напряжения на выводах симистора не происходит. Следовательно, одновременно будут присутствовать напряжение и ток, развивающие мгновенную мощность, которая может достигнуть значительных величин. Энергия, рассеянная в малом пространстве, вызовет резкое повышение температуры р-п переходов. Если критическая температура будет превышена, то произойдет разрушение симистора, вызванное чрезмерной скоростью нарастания тока di/dt.

При индуктивной нагрузке симистора или при защите от внешних перенапряжений для ограничения влияния dV/dt и тока перегрузки желательно использовать защитную RC-цепочку. Расчет значений R и С зависит от нескольких параметров, среди которых - величина тока в нагрузке, значения индуктивности и номинального сопротивления нагрузки, рабочего напряжения, характеристик симистора. Совокупность этих параметров с трудом поддается точному описанию, поэтому часто принимают во внимание эмпирические значения. Включение сопротивления 100-150 Ом и конденсатора 100 нФ дает удовлетворительные результаты. Однако отметим, что значение сопротивления должно быть гораздо меньше (или одного порядка), чем величина полной нагрузки, являясь достаточно высоким для того, чтобы ограничить ток разряда конденсатора с целью соблюдения максимального значения di/dt в момент отпирания.

Дополнительная защита, заслуживающая внимания, может быть обеспечена с помощью варистора, подключенного к выводам индуктивной нагрузки. Другой варистор, включенный параллельно питающему напряжению, задержит помехи, распространяющиеся по сети питания. Защита симистора также обеспечивается при подключении варистора параллельно его выводам.

Оптроны

Для гальванической развязки силовой цепи и цепи управления могут использоваться оптроны.

Другая важнейшая область применения оптронов – оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями, запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами. Для этого обычно применяются тиристорные и симисторные оптроны.

Создание «длинных» оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники – связь на коротких расстояниях.