§ 92. Вольт-амперная характеристика неуправляемых кремниевых вентилей
Определение электрических характеристик полупроводниковых вентилей необходимо для проверки их устойчивости при различных условиях работы.
Существуют прямые вольт-амперные характеристики, отражающие зависимость падения напряжения в вентиле от прямого· (рабочего) тока, и обратные характеристики, которые дают зависимость обратного тока в вентиле от приложенного к вентилю напряжения.
Рис. 92-1. Вольт-амперные статические характеристики диода
В соответствии с методом снятия прямых и обратных вольт- амперных характеристик различают статические характеристики снятые на постоянном токе, и полудинамические, снятые на однополупериодном синусоидальном токе для прямых характеристик и однополупериодном обратном напряжении для обратных характеристик.
Статические характеристики строятся для прямого и обратного токов (рис. 92-1). Для удобства пользования эти характеристики совмещаются на одном чертеже, но масштабы тока и напряжения для них выбираются разными. Это объясняется тем, что отношение прямого и обратного токов в современных кремниевых вентилях достигает 103—104, а обратных и прямых напряжений 102—103.
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики состоит из двух участков А и Б. На участке А падение напряжения в вентиле сравнительно сильно зависит от тока. На эту зависимость оказывает влияние собственно р—n- переход вентиля. На участке Б зависимость падения напряжения в вентиле от тока сравнительно слабая. Эта зависимость зависит от омического сопротивления пластин кремния, припоя, переходных контактов и сопротивления гибких выводов.
Обратная ветвь вольт-амперной характеристики вентиля имеет три характерных участка. На участке В (см. рис. 92-1) вентиль обладает сравнительно высокой проводимостью, но этот участок мал. На участке Г наступает явление насыщения, при котором рост обратного тока невелик. Третий участок Д определяет максимальное допустимое обратное напряжение вентиля (Д — для обычных вентилей, Д1 — для лавинных).
При повышении обратного напряжения за пределами участка Д обратный ток резко возрастает, и наступает пробой вентиля. Напряжение, при котором происходит пробой вентиля, называется пробивным напряжением.
Пробой вентиля может быть обратимым и необратимым.
В обычных (нелавинных) вентилях обратный ток проходит по сравнительно узкому каналу, поэтому даже при нескольких десятках ма плотность тока достигает значительных величин и происходит прожиг р—η-перехода. Пробой необратимый.
Рис. 92-2. Влияние температуры на прямую статическую вольт-амперную характеристику вентиля
В вентилях с лавинной обратной характеристикой обратный ток проходит по большой площади р—η-перехода, поэтому если энергия, теряемая в вентиле, не превосходит определенного значения, то пробой является обратимым. Следует отметить, что вентили лавинного типа в течение короткого времени могут пропускать в обратном направлении токи, превосходящие номинальные значения прямых токов.
Зависимость вольт-амперных характеристик вентилей от температуры приведена на рис. 92-2. Кремний обладает отрицательным температурным коэффициентом, поэтому с повышением температуры (t2>t1) вентиля прямое падение напряжения уменьшается.
Температура р—n-перехода является основным фактором, ограничивающим нагрузку вентиля. Но поскольку температура вентиля зависит от мощности, выделяющейся в р—n-переходе, то возникает необходимость в определении мощности, теряемой в вентиле.
Для вывода расчетных формул потерь мощности
в вентиле действительная вольт-амперная статическая характеристика аппроксимируется двумя прямыми. Первый участок характеризуется расчетным пороговым напряжением U0 (см. рис. 92-1), а второй (участок Б) — динамическим сопротивлением вентиля р.
Динамическое сопротивление вентиля
Как видно из выражений (92—2) и (92—4), мощность, теряемая в вентиле, слагается из двух составляющих. Первая пропорциональна среднему току, протекаемому через вентиль, вторая зависит от квадрата среднего тока. При работе вентиля с нагрузкой, близкой к номинальному значению, мощность определяется в основном первой слагающей, при работе вентиля в режиме короткого замыкания вторая слагающая является основной.
Нагрев вентиля происходит также от потерь мощности при обратных токах и при коммутации. Потери мощности при обратных токах составляют около 5% и ими можно пренебречь. Коммутационные потери при нормальной частоте 50 гц еще меньше и их также в расчетах можно не принимать во внимание.
Рис. 92-3. Построение прямой полудинамической характеристики вентиля
Полудинамические характеристики снимаются на синусоидальном переменном токе. Прямая полудинамическая характеристика изображена на рис. 92-3. Так как прямая статическая характеристика вентиля не линейная, то для обеспечения синусоидального тока в цепи трансформатора и испытуемого вентиля ИВ должно быть включено линейное сопротивление R, величина которого должна превосходить в 5—7 раз суммарное сопротивление вентилей.
Вольтметр V, подключенный к испытываемому вентилю, покажет среднее падение напряжения на вентиле за период при среднем токе вентиля. Таким образом, прямая полудинамическая характеристика представляет зависимость
при синусоидальном однополупериодном токе. Но обычно определяют только одно значение при номинальном токе вентиля, т. е.
.В зависимости от значения U в.ср вентили подразделяются на группы.
Значение среднего падения напряжения на вентиле при однополупериодном переменном токе может быть измерено, определено графически с использованием прямой статической характеристики (рис. 92-3) или вычислено по формуле. Если действительную прямую статическую характеристику вентиля заменить кусочно-линейной аппроксимацией, то
(92—5)
Обратная полудинамическая характеристика вентиля снимается путем подачи на вентиль обратного синусоидального напряжения. При этом измеряется амплитудное значение напряжения и средний обратный ток. По величине нарастания обратного тока определяют точку загиба обратной характеристики и тем самым фиксируют максимальное допустимое обратное напряжение. Эти измерения обычно проводят при предельной рабочей температуре вентиля, равной 140° С, и таким образом классифицируют вентили по обратному напряжению.
Для обычных вентилей обратное рабочее напряжение принимается равным 0,5 от максимально допустимого, а для лавинных 0,75. По обратному рабочему напряжению вентили подразделяются по классам: класс 1 —100 в, класс 2 — 200 в и т. д.
Поскольку прямые и обратные полудинамические характеристики служат для классификации вентилей по группам и по классам, то эти характеристики иногда называют классификационными.
При включении и отключении вентилей, вследствие переходных процессов в самой структуре р—η-перехода, имеет место коммутационный процесс.
При включении вентиля к нему подается прямое напряжение, возрастающее по кривой и1 (рис. 92-4,а). Но вследствие переходных процессов, происходящих в течение времени tвкл,
Рис. 92-4. Кривые мгновенных значений тока, напряжения и мощности, теряемой в вентиле в переходных процессах: а — включение вентиля; б — выключение вентиля
напряжение на вентиле успеет возрасти до сравнительно большого значения, прежде чем по вентилю потечет рабочий ток. В результате мгновенное значение мощности, теряемой в вентиле в течение переходного процесса, может быть значительно больше, чем в установившемся режиме (рис. 92-4, а).
После окончания протекания прямого тока, вследствие накопления носителей зарядов в структуре р—η-перехода, он обладает хорошей проводимостью в обоих направлениях. Таким образом, вентильные качества диода восстанавливаются не сразу после спада прямого тока, а в течение определенного времени восстановления (tвыкл) (рис. 92-4,б).
Так как при спаде рабочего тока к вентилю сразу же прикладывается скачок обратного напряжения, то возникает пик обратного тока. К моменту восстановления вентильных качеств р—η-перехода пик обратного тока спадает, что вызывает коммутационные перенапряжения ик (рис. 92-4, б). Продолжительность коммутационного периода в кремниевых диодах не превосходит 5—7 мксек.