Тиристор для чайников: схема включения и способы управления

Принцип деяния тиристора

Тиристор является силовым электрическим не стопроцентно управляемым ключом. Потому время от времени в технической литературе его именуют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться исключительно в проводящее состояние, т. е. врубаться. Для его выключения (при работе на неизменном токе) нужно принимать особые меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток исключительно в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и оборотное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с 3-мя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обыденный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная черта.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при разных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет наибольшие значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, понижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток либо ток удержания равен мало допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует мало вероятное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре .

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от оборотного напряжения. При превышении оборотным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание оборотного тока, связанное с пробоем тиристора. Нрав пробоя может соответствовать необратимому процессу либо процессу лавинного пробоя, характерного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются более сильными электрическими ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте менее 1 кГц.

Конструктивное выполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Тиристор в цепи неизменного тока

Включение обыденного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На продолжительность переходного процесса при включении существенное воздействие оказывают нрав нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG , температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно появляться недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высочайшей.

Посреди методов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (либо естественную коммутацию) и принудительное (либо искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Методы принудительной коммутации очень многообразны. Более свойственны из их последующие: подключение за ранее заряженного конденсатора С ключом S (рис 3, а); подключение LC-цепи с за ранее заряженным конденсатором CK (рис 3 б); внедрение колебательного нрава переходного процесса в цепи нагрузки (рис 3, в).

Рис. 3. Методы искусственной коммутации тиристоров: а) – средством заряженного конденсатора С; б) – средством колебательного разряда LC-контура; в) – за счёт колебательного нрава нагрузки

При коммутации по схеме на рис. 3,а подключение коммутирующего конденсатора с оборотной полярностью, к примеру другим вспомогательным тиристором, вызовет его разряд на проводящий основной тиристор. Потому что разрядный ток конденсатора ориентирован встречно прямому току тиристора, последний понижается до нуля и тиристор выключится.

В схеме на рис. 3,б подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего конденсатора Ск. При всем этом сначала разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Дальше ток LC-контура перебегает из тиристора VS в диодик VD. Пока через диодик VD протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено оборотное напряжение, равное падению напряжения на открытом диодике.

В схеме на рис. 3,в включение тиристора VS на всеохватывающую RLC-нагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный нрав с конфигурацией полярности тока нагрузки iн. В данном случае после выключения тиристора VS происходит включение диодика VD, который начинает проводить ток обратной полярности. Время от времени этот метод коммутации именуется квазиестественным, потому что он связан с конфигурацией полярности тока нагрузки.

Тиристор в цепи переменного тока

При включении тиристора в цепь переменного тока может быть воплощение последующих операций:

  • включение и отключение электронной цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;

  • изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Потому что тиристорный ключ способен проводить электронный ток исключительно в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 4,а).

Рис. 4. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б)

Среднее и действующее значения тока варьируются за счёт конфигурации момента подачи на тиристоры VS1 и VS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт конфигурации угла и (рис. 4,б). Значения этого угла для тиристоров VS1 и VS2 при регулировании меняется сразу с помощью системы управления. Угол именуется углом управления либо углом отпирания тиристора.

Более обширное применение в силовых электрических аппаратах получили фазовое (рис. 4,а,б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 4,в).

Рис. 5. Вид напряжения на нагрузке при: а) – фазовом управлении тиристором; б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией; в) – широтно-импульсном управлении тиристором

При фазовом способе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки может быть как за счёт конфигурации угла α, так и угла θ. Искусственная коммутация осуществляется при помощи особых узлов либо при использовании стопроцентно управляемых (запираемых) тиристоров.

При широтно-импульсном управлении (широтно-импульсной модуляции – ШИМ) в течение времени Тоткр на тиристоры подан управляющий сигнал, они открыты и к нагрузке приложено напряжение Uн. В течение времени Тзакр управляющий сигнал отсутствует и тиристоры находятся в непроводящем состоянии. Действующее значение тока в нагрузке

где Iн.м. – ток нагрузки при Тзакр = 0.

Кривая тока в нагрузке при фазовом управлении тиристорами несинусоидальна, что вызывает искажение формы напряжения питающей сети и нарушения в работе потребителей, чувствительных к частотным помехам – появляется так именуемая электрическая несопоставимость.

Запираемые тиристоры

Тиристоры являются более сильными электрическими ключами, применяемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных (сильнотоковых) цепей. Но они имеют значимый недочет – неполную маневренность, которая проявляется в том, что для их выключения нужно сделать условия понижения прямого тока до нуля. Это в почти всех случаях ограничивает и усложняет внедрение тиристоров.

Для устранения этого недочета разработаны тиристоры, запираемые сигналом по управляющему электроду G. Такие тиристоры именуют запираемыми (GTO – Gate turn-off thyristor) либо двухоперационными.

Запираемые тиристоры (ЗТ) имеют четырехслойную р-п-р-п структуру, но в то же время владеют рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципно хорошее от обычных тиристоров – свойство полной маневренности. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении схожа ВАХ обыденных тиристоров. Но перекрыть огромные оборотные напряжения запираемый тиристор обычно не способен и нередко соединяется со встречно-параллельно включенным диодиком. Не считая того, для запираемых тиристоров свойственны значимые падения прямого напряжения. Для выключения запираемого тиристора нужно подать в цепь управляющего электрода мощнейший импульс отрицательного тока (приблизительно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но недлинной продолжительности (10-100 мкс).

Запираемые тиристоры также имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (приблизительно на 20-30 %) по сопоставлению с обыкновенными тиристорами.

Главные типы тиристоров

Не считая запираемых тиристоров разработана широкая палитра тиристоров разных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Посреди их необходимо подчеркнуть последующие типы:

  • тиристор-диод, который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодиком (рис. 6.12,a);

  • диодный тиристор (динистор), переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного меж А и С (рис. 6,b);

  • запираемый тиристор (рис. 6.12,c);

  • симметричный тиристор либо симистор, который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);

  • быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);

  • тиристор с полевым управлением по управляющему электроду, к примеру, на базе композиции МОП-транзистора с тиристором;

  • оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) — симистор

Защита тиристоров

Тиристоры являются устройствами, критическими к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодикам, присуще явление протекания оборотного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля ухудшает возможность появления перенапряжений с высочайшим значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Потому для защиты тиристоров обычно употребляют разные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах производят защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

Почти всегда внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтоб не вводить дополнительную индуктивность LS . Потому на практике почаще появляется необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Рис. 7. Типовая схема защиты тиристора

Для этой цели обычно употребляют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Есть разные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их характеристик для различных критерий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров используются цепи формирования линии движения переключения, подобных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

Область применения тиристоров обширна. К примеру, из них можно собрать инвертор для сварки или зарядное автомобильное устройство. Некоторые умельцы своими руками собирают даже генераторы. Самое важное, что тиристоры могут через себя пропускать токи и высокочастотные, и низкочастотные. Поэтому, собрав мост из этих приборов, можно изготовить трансформатор и для сварочного аппарата.

Cхема управления тиристором

Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

  • Анод.
  • Катод.
  • Вход.

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.

Конструкция тиристора

Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

  • Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
  • Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
  • Величина самой токовой нагрузки.
  • Напряжение в цепи.
  • Температура самого прибора.

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

  • Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
  • Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Тиристор в цепи переменного тока.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Управление тиристорами

В силовых электронных аппаратах чаще всего используется или фазное, или широтно-импульсное управление тиристором.

В первом случае регулировать токовую нагрузку можно за счет изменения углов или α, или θ. Это относится к принудительной нагрузке. Искусственную нагрузку можно регулировать только с помощью управляемого тиристора, который также называется запираемый.

При ШИМ (широтно-импульсной модуляции) во время Тоткр сигнал подается, а, значит, сам прибор находится в открытом состоянии, то есть, ток подается с напряжением Uн. В период времени Тзакр сигнал отсутствует, а сам прибор находится непроводящем состоянии.

Тиристорные светодиоды

Обычно тиристор и светодиод в одном светильнике не устанавливаются. Его место заменяет диод, который работает и на включение, и на отключение, как обычный ключ. Это связано с разными причинами, где основная – это конструкция и принцип действия самого прибора, который всегда находится в открытом состоянии. В настоящее время ученые изобрели так называемый тиристорный светодиод.

Тиристорный светодиод

Во-первых, тиристорный светодиод в своем составе кроме кремния имеет: галлий, алюминий, индий, мышьяк и сурьму. Во-вторых, спектр излучения при n-переходах между материалами создает волну длиною 1,95 мкм. А это достаточно большая оптическая мощность, если ее сравнивать с диодным элементом, который производит световые волны в том же диапазоне.