Применение, принцип действия и конструкция фототиристора

Фототиристор (ТФ) – полупроводниковое устройство со структурой, сходной с обычным тиристором, но с одним существенным отличием. Он включается не подачей напряжения, а с помощью света, падающего на него. Этот прибор сочетает функции управляемого тиристора и фотоприемника, преобразующего световую энергию в электрический управляющий импульс. Изготавливается обычно из кремния, имеет спектральную характеристику, аналогичную другим фоточувствительным элементам с кремниевой полупроводниковой структурой.

Виды конструкции фототиристоров

Тиристор данного типа имеет структуру с тремя или более p-n переходами. Без воздействия снаружи фототиристор находится в запертом состоянии. В этом случае через него протекает незначительный по величине темновой ток. Существует два варианта открытия потенциальных барьеров и включения прибора в работу:

• Световым потоком. В конструкции фототиристора с одной стороны корпуса предусмотрено окно с защитным стеклом и фокусирующая линза. Через окно свет попадает на поверхность полупроводниковой структуры. В корпус интегрирован элемент самозащиты прибора от пробоя при повышении напряжения выше критического уровня.
• Подачей напряжения на управляющий электрод. Выводом управления в этом полупроводниковом приборе служит оптический ввод с присоединенным к нему оптическим интерфейсным кабелем. В комплект входит лазерный диод, который преобразует электрический сигнал от управляющего драйвера в световой импульс, поступающий на полупроводниковую структуру.

Принцип действия фототиристоров

Открытие фототиристора, то есть его включение в работу, осуществляется подачей светового потока на полупроводониковый p-n слой, в результате которой создаются пары основных носителей электротока. Это приводит к возникновению первичных и общего фототоков.

ТФ имеет два устойчивых состояния: закрытое и открытое. Переход из одного устойчивого состояния в другое осуществляется скачком, сопротивление при этом изменяется в 10⁶…10⁷ раз. Это означает, что прибор отличается очень высоким коэффициентом усиления по току и мощности, поэтому может служить эффективным ключевым устройством.

Фототиристор переходит в открытое состояние при достаточно высоких уровнях освещенности – 300-2000 Лм. Включением прибора можно управлять, сочетая электрический сигнал и световой поток. Чем больше напряжение, подаваемое на управляющий электрод, тем при меньшей освещенности включается ТФ, и наоборот, при росте светового потока напряжение на управляющем электроде снижается.

Преимущества фототиристоров

Эти полупроводниковые приборы обеспечивают:

• прямое управление световыми импульсами;
• высокий КПД;
• характеристики, оптимизированные к последовательному соединению приборов в объединенных сборках;
• устойчивость к продолжительным и неоднократным токовым перегрузам;
• включение групп приборов с высокой точностью по времени;
• устойчивость к электромагнитным помехам;
• наличие гальванической развязки между управляющей и силовой цепями;
• отсутствие необходимости в частом проведении мероприятий по техническому обслуживанию;
• простота и безопасность эксплуатации.

Область применения фототиристоров

Основное назначение фототиристора – создание переключающих устройств, управляемых световым лучом. Мощные ТФ с прямым управлением световым потоком достойно конкурируют с прочими силовыми полупроводниковыми приборами. Они используются для решения самых сложных задач в электроэнергетике:

• В энергосберегающих преобразователях, применяемых в сетях постоянного тока.
• В качестве импульсных ключей высокого напряжения, которые способны управлять сверхвысокими мощностями в сверхмалых временных промежутках. Такие ключи могут использоваться в аппаратуре, питающей мощную лазерную технику.
• В компенсаторах реактивной мощности.

В низковольтных маломощных преобразователях фототиристоры применяются для прямой коммутации нагрузки. В преобразователях высокой мощности, обычно используемых в высоковольтных сетях, фототиристор небольшой мощности воздействует на мощный силовой симистор, включающий нагрузку.

Графическое и буквенно-цифровое обозначение фототиристоров

Как и все полупроводниковые приборы, ТФ имеют два типа обозначения – графический и символический (сочетание букв и цифр).

Условное графическое изображение фототиристора на схеме содержит: базовый символ тиристора и дополнительные элементы. Наличие окружности означает, что прибор заключен в корпус, а две стрелки, направленные к базовому символу под углом 45°, свидетельствуют о том, что его принцип работы основан на фотоэффекте. Отсутствие окружности означает бескорпусное исполнение ТФ.

В буквенно-числовом коде присутствуют:

• Буквы ТФ – фототиристор.
• Буква или цифра, обозначающие элемент, из которого изготовлен прибор. Кремний обозначается буквой К или цифрой 2.
• Порядковый номер разработки – цифры 1-9.
• Вид конструкции – 0-5. Этот элемент может отсутствовать в маркировке.
• Величина максимально допустимого тока в открытом состоянии.

Основные параметры фототиристоров

Выбор полупроводниковых приборов, действие которых основано на фотоэффекте, осуществляют по следующим характеристикам:

• Пороговый световой поток или мощность излучения, при которых происходит гарантированное включение ТФ при определенном значении напряжения.
• Временной промежуток включения и выключения (быстродействие).
• Рабочая длина световой волны, определяемая материалом, который используется при изготовлении прибора. Обычно это кремний.
• Наибольшая разрешенная скорость нарастания напряжения на выходе.
• Наибольший допустимый выходной ток.
• Максимально допустимая рабочая мощность.