Общие сведения. В сварочных выпрямителях в СССР и за ру­бежом применяются только силовые полупроводниковые вентили, которые появились в 50-х годах и почти полностью вытеснили дру­гие типы электрических вентилей, в частности ионные, так как об­ладают по сравнению с ними рядом технико-экономических пре­имуществ (безынерционность, высокий к. п.д., большая надежность, широкий температурный диапазон работы, компактность и т. д.).

Силовые полупроводниковые вентили изготовляются в насто-

Рис. 3.3. Вольт-амперная характеристика полупро­водникового вентиля

ящее время почти исключительно на основе кремния, который вы­теснил германий. Это объясняется тем, что хотя к. п.д. у германие­вых вентилей несколько выше, чем у кремниевых, кремний дает возможность устанавливать для вентилей более высокие рабочие температуры и применять более высокие значения рабочего напря­жения. В сварочных выпрямителях применяются также и селеновые вентили.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового вентиля приведена на рис. 3.3.

Ветвь характеристики в первом квадранте соответствует прово­дящему направлению вентиля, когда через р-п-переход идет прямой ток 1а, а ветвь в третьем квадранте соответствует непроводящему направлению, когда через р-п-переход идет обратный ток /&. При увеличении обратного напряжения до значения, равного пробивно­му, ток /ь мало изменяется. После этого значения обратный ток быстро нарастает. Это объясняется тем, что повышается концен­трация неосновных носителей в связи с увеличением выделяемой в р-п-переходе мощности и теплоты.

Значение допустимого обратного напряжения £/&доп приводится в технических данных вентиля. Она нормируется с определенным запасом по отношению к пробивному напряжению Ub проб - Масшта­бы для прямого и обратного токов на рис. 3.3 различны.

На основе изучения свойств полупроводникового вентиля мож­но утверждать, что если в цепь, содержащую линейный резистор RH, включить полупроводниковый вентиль V (рис. 3.4, а), то цепь ста­новится нелинейной, обладает односторонней проводимостью и про­пускает прямой ток i—ia лишь в случае, если к аноду-—слою р вентиля — подведен положительный потенциал по отношению к ка­тоду— слою п вентиля.

Если напряжение и си­нусоидальное, то пря­мой синусоидальный ТОК Іа будет ИДТИ ПО цепи лишь в проводя­щую часть периода (рис. 3.4, б). В непро­водящую часть периода по цепи будет течь не­значительный обрат­ный ток г'ь. Начало про­текания прямого тока ia называется момен­том открытия вентиля (включения в работу), окончание протекания прямого тока — моментом его закрытия (выключения). Цепь, по которой идут прямой и обратный токи, называется силовой цепью вентиля. Рассмотренный вентиль явля­ется полупроводниковым диодом. Полупроводниковые вентили мо­гут быть управляемыми. В этом случае кроме двух силовых элект­родов вентиль имеет третий электрод УЭ, являющийся управляю­щим (рис. 3.5, а). Такие полупроводниковые приборы называют тиристорами.

Тиристоры могут быть полууправляемыми (однооперационны­ми) и полностью управляемыми (двухоперационными). В насто­ящем пособии рассматриваются только однооперационные и схемы на их основе. На рис. 3.5, б приведен график изменения прямого тока однооперационного тиристора.

Для того чтобы управляемый вентиль открылся, на его аноде должен быть положительный потенциал относительно катода. Тогда тиристор можно открыть (включить) в любой момент проводящей части периода, подав на управляющий электрод положительный потенциал от системы управления (рис. 3.5, в). Тиристор запирает­ся автоматически при спаде прямого тока в силовой цепи до нуля.

Кремниевый тиристор выполняется иа основе четырехслойного кристалла кремния со слоями /Ц-ПгРг-иг-

Вольт-амперная характеристика тиристора приведена на рис. 3.6. Включение осуществляется подачей положительного потенциа­
ла от системы управления на управляющий электрод, а выключе­ние происходит автоматически при спаде тока ia до нуля (см. рис. 3.5, б).

Рассмотрим процесс включения (или отпирания) тиристора. В начале предположим, что напряжение UY=0 и тока /у в цепи уп-

Рис. 3.5. Управляемый полупроводниковый вентиль (тиристор): а — графическое изображение вентиля; б — график измене­ния прямого тока полууправляемого (однооперационного) тиристора; в—график изменения прямого тока полностью управляемого (двухоперационного) тиристора

Рис. 3.6. Вольт-амперная характеристика тиристора

равления нет. Тиристор - откроется тогда, когда напряжение достиг­нет определенного значения Ua отп - Этому напряжению соответству­ет малый прямой ток 1а отп - После открытия тиристора происходит скачок анодного тока от значения /а 0тп до значения, определяемого величиной Uа и сопротивлением нагрузки jRh В силовой цепи венти -

ля. На рис. 3.6 это ток /а, определяемый точ­кой пересечения N ли­нии нагрузки Ян и ра­бочего участка ВС вольт-амперной харак­теристики тиристора. Величину напряжения Uа отп МОЖНО реЗКО уменьшить, подав на управляющий электрод и катод тиристора на­пряжение иу, обеспе­чивающее в цепи уп­равления ток /у. Вели­чина этого тока зависит от типа тиристора и па­раметров цепи управ­ления. Чем больше ток /у, тем меньше напря­жение LIa, при котором тиристор отпирается.

Ua, при котором от­крывается тиристор при данном значении /у, за­висит от Гп р-п-перехо - да. Чем выше эта тем­пература, тем при меньшем значении Ua откроется тиристор при неизменном значении тока в цепи управле­ния.

Пробой тиристора, так же как и неуправ­ляемого вентиля (дио­да), может произойти при увеличении обрат­ного напряжения Ub свыше Сь доп, которое обычно составляет око­ло 60% от Ub пробив­ного.

Для оценки свойств отдельных типов полу­проводниковых венти­лей познакомимся с величинами, которые являются параметрами

вентилей, характеризуют их свойства и позволяют оценить возмож­ности их применения в выпрямительном блоке того или иного ис­точника питания. Рассмотрим работу простейшей схемы однополу - периодного выпрямления (рис. 3.7, а) с неуправляемым полупро­водниковым вентилем V; потребителем выпрямленного тока являет­ся линейный резистор Ян.

В цепях с вентилями за положительные направления принима­ются направления напряжения и тока, которые относятся к прово­дящей части периода.

Как только начинается положительный полупериод напряжения, т. е. в момент времени 0 = 0, через вентиль V начинает течь прямой ток i—ia. В вентиле происходит падение напряжения, называемое прямым падением напряжения и обозначаемое Аиа (рис. 3.7, б).

Очевидно, что в проводящую часть периода мгновенное значение напряжения на резисторе Ян

иа=и — Аиа.

У кремниевых вентилей, применяемых в сварочных выпрямите­лях, внутреннее прямое падение напряжения составляет величину порядка 0,5 В. В связи с этим с достаточной для инженерной прак­тики точностью можно величиной Аиа пренебречь и считать, что у работающего вентиля все напряжение и окажется приложенным к резистору RB, Т. Є. ЧТО « = «(!•

В непроводящую часть периода к вентилю приложено обратное напряжение «ь (положительный потенциал на катоде вентиля). Это напряжение вызывает обратный ток іь - Падением напряжения ibRH пренебрегаем, так как іь мал. Отношение действующих значений токов /а и /ь для вентилей сварочных выпрямителей равно пример­но 104. В связи с этим при анализе схем с вентилями током /& и вы­зываемым им падением напряжения на сопротивлении нагрузки RH пренебрегают. Участок цепи, где включен вентиль в непроводящую часть периода, фактически представляет собой разрыв цепи, и все напряжение и приложено к вентилю. В рассматриваемой схеме од- нополупериодного выпрямления максимальное значение обратного напряжения Ubm равно Um.

На рис. 3.7, в приведены графики изменения напряжений и то­ков во времени идеального вентиля при Д«а = 0 и £ь = 0. Как видно, выпрямленный ТОК id, равный току цепи и току, проходящему через вентиль, имеет прерывистый характер. В течение проводящей поло­вины периода в цепи течет ток, а в непроводящую часть периода — ток £<1 = 0. Для получения непрерывной кривой тока id применяют многофазные схемы выпрямления. Среднее значение тока id за пе­риод обозначают Id и находят по формуле

(3.2)

График 7d=f(0) имеет вид прямоугольника высотой Id - Среднее значение напряжения Ud на нагрузке за период, т. е. выпрямленное

напряжение на выводах выпрямителя, находят по формуле

(3.3)

где Ud=idRs - Величину Ud можно выразить через действующее зна­чение синусоидального напряжения U:

Ud=^-U=0A5U, (3.4)

Я

откуда следует, что

U=2,22Ud. (3.5)

Максимальное значение обратного напряжения для схемы однополупериодного выпрямления

Ubm=Um=V2U. (3.6)

Если вентиль управляемый, то прямой ТОК І = Іа = І<г появится не сразу при 6 = 0, а с задержкой во времени, т. е. при 0 = 0i, когда на управляющий электрод будет подан положительный отпирающий импульс от системы управления. На рис. 3.7, г приведены графики изменения напряжений и токов во времени, соответствующие рабо­те схемы рис. 3.7, а в случае использования в ней управляемого вен­тиля. Величина выпрямленного тока Id зависит от угла а=0ь назы­ваемого углом управления. Величина угла а отсчитывается от мо­мента естественного отпирания вентиля (появление положительного потенциала на аноде) и выражается в электрических градусах. Из графиков рис. 3.7, г видно, что при а=0і вентиль начал пропускать прямой ток.

Очевидно, что при а=0° величина тока Id наибольшая — прямой ток идет в течение всего положительного полупериода напряжения, как при неуправляемом вентиле. В интервале времени 02—0з прямой ток равен нулю, вентиль заперт. Ток начнет течь в момент времени 04, когда будет вновь подан открывающий положительный импульс на управляющий электрод вентиля. Реальный вентиль характеризу­ется следующими параметрами: средним значением выпрямленного тока Id; максимальным значением прямого тока id макс; величиной внутреннего падения напряжения от прямого тока AUa, вычисляе­мого как среднее значение прямого падения напряжения за период Аиа, являющееся постоянной величиной:

2п

(3*7)

0

максимальным значением обратного напряжения Ubm, при котором обратный ток 1ъ не превышает допустимого значения; долговеч­ностью вентиля (в часах).

При работе вентиля в нем выделяется теплота, обусловленная мощностью, мгновенное значение которой

Lpa=Luaia. (3.8)

Мощность, выделяемая в вентиле за период,

ЬРа=5 ЬРа d в = UJa /в, (3.9)

о

где /0 — среднее значение тока в вентиле за период; AUa — среднее значение внутреннего падения напряжения.

Мощность, выделяемая в нагрузке Rn,

Pd=UaId. (3.10)

К. п. д. вентиля, работающего в схеме рис. 3.7, а, можно найти, если учесть, ЧТО /d=/o-‘

■п=-------------- =------- ЧАа------- =------- Ча----- . (злі)

Рd + kPa Udla + &U Ja Ud-- ДUa

. К. п. д. вентиля тем выше, чем меньше внутреннее падение на­пряжения от прямого тока, а при том же ДUa, чем больше U&.

Особые условия работы вентилей в сварочных выпрямителях.

Следует назвать два условия: первое связано с перегрузками вен­тилей прямыми токами, второе — с возникающими в электрических цепях выпрямителя перенапряжениями.

При возбуждении дуги контактным способом в выпрямительном блоке источника питания с внешними падающими характеристика­ми при сварке плавящимся электродом сварочный ток превосходит номинальное значение тока стационарного горения дуги в 1,5—2 ра­за. В случае замыкания разрядного промежутка каплей переносимо­го металла ток также превосходит номинальное значение.

Если источник питания имеет жесткую внешнюю характеристику и сварка производится неплавящимся электродом в среде защит­ного газа, то при возбуждении дуги неконтактным способом с ис­пользованием осциллятора при пробое разрядного промежутка воз­никает пик тока, который превосходит установившийся сварочный ток в 4—8 раз.

В связи с этим полупроводниковые вентили должны обладать высокой теплостойкостью, легко выдерживать перегрузки по току. Этим требованиям удовлетворяют селеновые и кремниевые вентили, рассчитанные на сотни ампер. Германиевые вентили уступают в этом отношении селеновым и кремниевым. Вольт-амперные харак­теристики вентилей приведены на рис. 3.8, а. Максимальные значе­ния температуры, которые выдерживают без пробоя р-п-переходы, следующие: у германия Ge до 80° С; у селена Se до 100° С; у крем­ния Si — до 125—150° С. На рис. 3.8, б приведены структурные схе­мы кремниевого, селенового и германиевого вентилей.

При работе вентилей в сварочных выпрямителях в их цепях возникают перенапряжения, которые являются причиной пробоя р-п-переходов в непроводящую часть периода. Эти перенапряжения появляются благодаря индуктирующимся в цепях э. д. с. самоиндук-

Рис. 3.8.. Полупроводниковые вентили:

а — вольт-амперные характеристики; б — структурные схемы

ции, которые могут значительно превосходить значение £/&н—рас­четного обратного допускаемого напряжения. Э. д. с. самоиндукции возникают при переходе вентилей от проводящего к непроводящему состоянию. Их величины в сварочных установ­ках достигают весьма больших значений в свя­зи с большими значениями индуктивностей в цепях.

Перенапряжение возникает на катоде — аноде вентиля. Для того чтобы предохранить р-п-переход вентиля от пробоя, применяют шунтирование вентиля цепью R—C (рис. 3.9), влияние которой заключается в том, что при появлении на выводах вентиля возрастающей разности потенциалов происходит заряд емкости С'р, а затем ее раз­ряд через силовую цепь вентиля в направлении прямого тока. Па­рамеры цепи Rv—Ср выбирают из следующих соотношений:

СР>С„ и (3.12)

где Cv — собственная емкость вентиля; L — индуктивность контура (индекс «р» в данном случае обозначает разрядный). Наиболее стойки к пробою селеновые вентили, которые имеют относительно большой обратный ток, но его возрастание до аварийных значений

происходит при больших величинах Ньпроб-

В =. внщіямитеяьном блоке источ­ника писания, - имеющего внешние падающие ; характеристики, приме­няются ’мощные кремниевые неуп­равляемые вентили.

Принудительное воздушное или водяное охлаждение для мощных полупроводниковых вентилей явля­ется обязательным, так как предо­храняет р-п-переход от пробоя. При перегрузках, когда /а длительно пре­вышает /ан, вентиль выходит из строя, так как из-за малой теплоем­кости р-п-перехода с повышением температуры резко возрастает тох /ь и вентиль теряет свои выпрямляющие свойства (заметим, что обратный ток 1ь у кремниевых вентилей на несколько порядков меньше, чем у германиевых, что является еще одним существенным преимуществом кремниевых вентилей). Если значение тока через вентиль при расчете пара­метров схемы превосходит /ан (рис. 3.10), то кремниевые вентили необходимо вклю­чать параллельно по схеме рис. 3.11, а так, чтобы плот­ность тока для каждого вен­тиля была в пределах 60—

80 А/см2. Вследствие нали­чия технологического раз­броса вольтамперных харак­теристик отдельных1 экземп­ляров вентилей одного типа при осуществлении парал­лельного соединения требу­ется включать уравнитель­ные резисторы R.

Величина номинального обратного напряжения С/Ьи вентиля определяет его

класс и связана с Ubпров коэффициентом технологического запаса, обозначаемым к, величина которого колеблется в пределах 0.5— 0,6. Класс обозначается отношением UbH к 100. Например, для вен­тиля 6-го класса U= 6* 100=600 В. Если вентиль оказывается под
обратным напряжением Ub>Ubu, то р—«-переход вентиля может быть пробит. В этом случае вентили включаются последовательно. Кремниевые вентили при последовательном соединении требуют применения делителя напряжения (рис. 3.11, б) вследствие техно­логического разброса обратных ветвей вольт-амперных характери­стик, имеющих весьма малые наклоны.

У селеновых вентилей перегрузочная способность выше, чем у кремниевых, так. как их теплоемкость больше. Слоем р-проводимос - ти у них служит кристаллический селен, который наносится на алю­миниевую пластину прямоугольной формы. Слой с п-проводимостью образуется в селене при диффузии в него, например, атомов кад­мия. Между слоями с р - и «-проводимостями возникает р-п-переход. С увеличением температуры прямая ветвь вольт-амперной характе­ристики селенового вентиля проходит более круто, т. е. при том же напряжении Ua с увеличением температуры возрастает плотность тока.

Если в схеме выпрямления на вентиль приходится более высокое напряжение, то вентили надо включить последовательно без приме­нения делителя напряжения, требующегося при последовательном соединении (рис. 3.11, б) кремниевых вентилей, имеющих значи­тельно меньший наклон обратной ветви вольт-амперной характерис­тики, чем селеновые. Если селеновый вентиль подвергается воздей­ствию случайного перенапряжения, то может произойти пробой р-п - перехода, но место пробоя автоматически застекловывается, полезная площадь пластины уменьшается, но вентиль может рабо­тать при меньших значениях тока 1а■ Недостатком селеновых венти­лей является старение. При эксплуатации и даже просто при хра­нении наблюдается увеличение внутреннего сопротивления вентиля в прямом направлении, что уменьшает ток 1а при том же Ua. Из-за перечисленных недостатков селеновые вентили не нашли такого распространения, как кремниевые, хотя они дешевле кремниевых.