Работа тиристора на постоянном токе: Управление тиристором на постоянном токе

Содержание

15.4. Закрывание тиристора в цепи постоянного тока

Как было отмечено выше, в схеме выпрямителя тиристор автоматически закрывается при поступлении отрицательной полуволны синусоиды (смене полярности напряжения анод-катод). Если же тиристор применяется в цепях постоянного тока, смены полярности не происходит, и для закрывания тиристора приходится применять специальные схемы запирания, в которых формируется или встречный ток, или встречное напряжение. Схемы запирания тиристора представлены на рис. 15.6.

а)

б)

Рис. 15.6. Схемы запирания тиристоров в цепях постоянного тока:

а – схема встречного напряжения; б – схема встречного тока

Каждая схема содержит коммутирующий конденсатор С, который предварительно заряжается от дополнительного источника питания. В момент времени, когда нужно закрыть тиристор, замыкается ключ К, в качестве которого может быть использован дополнительный тиристор или транзистор.

На схеме встречного напряжения конденсатор разряжается на тиристор, в результате чего к тиристору прикладывается встречное напряжение. Закрываются переходы П1 и П3, рассасываются заряды в переходе П2, и тиристор закрывается. Главное условие – запасённого в конденсаторе С заряда должно хватить, чтобы поддерживать достаточное по величине встречное напряжение на время завершения переходного процесса закрывания тиристора (см. раздел 14.2). Преимущество схемы – простое исполнение. Недостаток – в момент коммутации происходит бросок напряжения в нагрузке на величину напряжения заряженного конденсатора С.

На схеме встречного тока конденсатор разряжается на трансформатор тока, включённый в анодную цепь тиристора. На вторичной обмотке трансформатора формируется ток, направленный встречно току анодной цепи тиристора. В результате ток становится меньше тока удержания, рассасываются заряды в переходе П2, и тиристор закрывается. Главное условие – запасённого в конденсаторе С заряда должно хватить, чтобы поддерживать достаточный по величине встречный ток на время завершения переходного процесса закрывания тиристора. Преимущество схемы - в момент коммутации не происходит броска напряжения в нагрузке. Недостаток – применение трансформатора тока (трудность технологического исполнения и большая стоимость изделия).

Контрольные вопросы

1. Приведите примеры использования динистора и тиристора в электронных схемах?

2. Нарисуйте схему ГПН и поясните принцип работы.

3. Чем отличается регулируемый выпрямитель от нерегулируемого? Напишите формулу регулировочной характеристики.

4. Почему в схеме управляемого выпрямителя тиристор закрывается автоматически?

5. Как происходит закрывание тиристора в цепях постоянного тока? Какие схемы применяются для этого?

Лекция 16. Запираемые тиристоры. Симметричные тиристоры – симисторы

16.1. Запираемые тиристоры

Тиристор, способный не только открываться, но и закрываться под воздействием сигнала на управляющем электроде, называется

запираемыйтиристор. Условное графическое обозначение и схема замещения запираемого тиристора представлены на рис. 16.1.

а)

б)

Рис. 16.1. Запираемый тиристор:

а – условное графическое обозначение; б – схема замещения

Рассмотрим принцип работы запираемого тиристора, воспользовавшись схемой замещения. Согласно выражению (14.3) ток во внешней цепи зависит от коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 иVT2. Ток управленияIУ, поступая на базу транзистораVT2, увеличивает для него ток базы и коэффициент передачи тока2. Тиристор открывается, когда 1 – (1+2) = 0. Более конкретно это описывается выражением

. (16.1)

Если теперь ток управления уменьшить до нуля (

IУ= 0), тиристор останется открытым, при условии, что ток анода будет больше тока удержания.

Для закрывания тиристора на управляющий электрод необходимо подать напряжение отрицательной полярности. Тогда ток коллектора VT1 будет протекать по цепи управляющего электрода, а ток базы транзистораVT2 уменьшится, что приведёт к снижению коэффициентов передачи тока1и2и прекращению регенеративного процесса. ТранзисторVT2 можно вывести из насыщения при условии

, (16.2)

где IЗ– ток запирания тиристора по управляющему электроду.

Способность тиристора к запиранию по управляющему электроду характеризуется коэффициентом запирания

. (16.3)

Из выражения (16.3) следует, что коэффициент запирания зависит от коэффициентов передачи тока 1и2и будет тем больше, чем больше2. Это означает, что чем меньше степень насыщения перехода П2 тиристора, тем легче его закрыть по сигналу управляющего электрода. Степень насыщения перехода П2 зависит от тока через тиристор в открытом состоянии, поэтому коэффициент запирания также будет зависеть от тока анода тиристора (рис. 16.2)

Рис. 16.2. Зависимость коэффициента запирания от тока анода

Схема управления запираемым тиристором должна формировать импульсы положительной (для открывания) и отрицательной (для закрывания) полярности относительно катода. Наиболее просто это можно сделать, если в цепь управляющего электрода включить конденсатор (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Простейшая схема управления запираемым тиристором

При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается через резистор R1, и на управляющий электрод тиристора поступает импульс положительной полярности. Когда процесс заряда конденсатора закончится, ток управляющего электрода станет равным нулю. Если теперь замкнуть ключ К, начнётся разряд конденсатора С через резисторR2, и на управляющий электрод тиристора поступит импульс отрицательной полярности. Чтобы произошло закрывание тиристора, необходимо выполнить условие

;, (16.4)

где UЗ– напряжение на управляющем электроде, необходимое для запирания тиристора;

IЗ– ток управляющего электрода, необходимый для запирания тиристора;

tЗ– длительность запирающего импульса.

Существуют более сложные схемы управления, в которых для запирания тиристора применяется отдельный источник питания, а также специальные драйверы управления, как, например, в мощных запираемых тиристорах, сведения о которых можно прочитать в литературе [6, 11, 17].

Подключение тиристора в цепи постоянного тока

Регулирование путём размыкания или шунтировки цепи

Эти методы выключения тиристоров в цепи постоянного тока могут быть применены к любому тиристору с регенеративным механизмом включения. Разумеется в качестве выключателя S применимы современные полупроводниковые приборы, достаточно согласовать управляющие импульсы на тиристор и прибор S соответствующим образом. На рисунке а) вполне применим низковольтный силовой быстрый биполярный транзистор с дополнительным форсированным запиранием. На рисунке b) необходим прибор S, имеющий низкое падение напряжения, он шунтирует тиристор имеющий прямое напряжение не более 2.

5 вольт, обеспечивая прохождение основного тока через себя на время снижения тока в тиристоре ниже тока удержания и запирания его. Стоит помнить, что на момент отпирания прибора S прикладывается максимальное напряжение.

Принудительная коммутация

Основной (рабочий) тиристор Т2, при его отпирании, начинает течь ток в нагрузку и через диод D и дроссель L на конденсатор С разряжая его, после чего, когда перестал изменяться ток через дроссель конденсатор перезаряжается относительно входного напряжения создавая дополнительный источник напряжения необходимый для создания обратного напряжения для рабочего тиристора. Как недостаток схемы, большие токи через дроссель L, в случае коммутирующего конденсатора ёмкостью 4 мкф амплитуда тока около 20 ампер. Снижать ёмкость конденсатора при применении обычных, не быстрых тиристоров нет смысла, возможно не хватит времени разряда коммутирующего конденсатора через нагрузку для запирания рабочего тиристора, типовое время запирания которого150мкс, причём добавление резисторов в разрядную цепь коммутирующего конденсатора малоэффективно, можно легко превысить внутреннее сопротивление основного источника напряжения и потерять эффект шунтирования.

Для снижения габаритов (уменьшение ёмкости коммутирующего конденсатора) и увеличения диапазона регулирования можно использовать эту схему (с идеей ознакомил [email protected])

В этом случае тиристор Т1 подключает резонансную цепь LC через необходимое время.

В этой схеме значительно уменьшен ток дросселя, форма выходного напряжения на номинальной нагрузке примерно такая как фон этой странички. Исключив "иглу" вначале импульса, увидим лёгкий завал фронта, по личным впечатлениям это лучший импульс "притягивания", более уловистый. Каких то особенностей схема не имеет, в качестве сердечника дросселя L я применяю витые тороидальные сердечники из электротехнической стали сечением 0.8-1.2 кв.см., число витков 2*100. Этот ключ применён так же в приборе "Аква".

Ключ на запираемом тиристоре

В последнее время появились надёжные запираемые тиристоры. Управление запираемых тиристоров GTO идёт по одному управляющему выводу прибора импульсами разной полярности, положительным на открывание и отрицательным на запирание.

Когда схема подключается к источнику постоянного напряжения, времязадающий конденсатор С1 заряжается. При достижении уровня пробоя динистора Т2 тиристор Т1 открывается и нагрузка оказывается под напряжением. Теперь конденсатор С2 начинает накапливать заряд до уровня пробоя динистора Т3 прикладывая анпряжение на управляющий электрод тиристора Т1 относительно катода, что и выключает тиристор, далее цикл повторяется. типовые значения конденсаторов С1 и С2 примерно 0.5-1 мкф, резистором Rf регулируем частоту следования импульсов, а резистором Rt их длительность. Параметры динисторов выбираются в зависимости от применяемого запираемого тиристора, обычно на открывание амплитуда управляющего импульса запираемого тиристора не превышает нескольких вольт, на запирание 70-80 вольт. Разумеется легко обойтись без динисторов в управлении, используя отдельное двухполярное питание, но есть решения и с однополярным драйвером, формирующим импульсы запирания.

Управление запираемым GTO тиристором от источника однополярного напряжения

Эта схема используется в преобразователе с внешним возбуждением на GTO тиристоре мощностью 1200 вт с частотой 20кГц. При переключении транзистора Т1 из включенного состояния в выключенное и обратно, к управляющему электроду тиристора поступают как положительные (включающие) так и отрицательные (выключающие) импульсы. Амплитуда отрицательного импульса почти вдвое превышает напряжение источника питания этого драйвера. К сожалению, для наших условий (малая длительность и частота повторения импульсов ) КПД этой схемы низок, большую часть времени транзистор Т1 будет открыт рассеивая мощность на резисторе R3. Так же важным параметром для тиристоров GTO является длительность включающего импульса. При некоторых условиях (слабая нагрузка, высокая температура) GTO тиристор может испытывать трудности быстрого защёлкивания в состояние насыщения, если запускается очень короткими импульсами, при более длительных импульсах проблема исчезает. Более выгодным решением будет использование твухтактного выходного каскада на комплементарных парах транзисторов с двухполярным источником питания.

Как было отмечено выше, в схеме выпрямителя тиристор автоматически закрывается при поступлении отрицательной полуволны синусоиды (смене полярности напряжения анод-катод). Если же тиристор применяется в цепях постоянного тока, смены полярности не происходит, и для закрывания тиристора приходится применять специальные схемы запирания, в которых формируется или встречный ток, или встречное напряжение. Схемы запирания тиристора представлены на рис. 15.6.

Рис. 15.6. Схемы запирания тиристоров в цепях постоянного тока:

а – схема встречного напряжения; б – схема встречного тока

Каждая схема содержит коммутирующий конденсатор С, который предварительно заряжается от дополнительного источника питания. В момент времени, когда нужно закрыть тиристор, замыкается ключ К, в качестве которого может быть использован дополнительный тиристор или транзистор.

На схеме встречного напряжения конденсатор разряжается на тиристор, в результате чего к тиристору прикладывается встречное напряжение. Закрываются переходы П1 и П3, рассасываются заряды в переходе П2, и тиристор закрывается. Главное условие – запасённого в конденсаторе С заряда должно хватить, чтобы поддерживать достаточное по величине встречное напряжение на время завершения переходного процесса закрывания тиристора (см. раздел 14.2). Преимущество схемы – простое исполнение. Недостаток – в момент коммутации происходит бросок напряжения в нагрузке на величину напряжения заряженного конденсатора С.

На схеме встречного тока конденсатор разряжается на трансформатор тока, включённый в анодную цепь тиристора. На вторичной обмотке трансформатора формируется ток, направленный встречно току анодной цепи тиристора. В результате ток становится меньше тока удержания, рассасываются заряды в переходе П2, и тиристор закрывается. Главное условие – запасённого в конденсаторе С заряда должно хватить, чтобы поддерживать достаточный по величине встречный ток на время завершения переходного процесса закрывания тиристора. Преимущество схемы – в момент коммутации не происходит броска напряжения в нагрузке. Недостаток – применение трансформатора тока (трудность технологического исполнения и большая стоимость изделия).

1. Приведите примеры использования динистора и тиристора в электронных схемах?

2. Нарисуйте схему ГПН и поясните принцип работы.

3. Чем отличается регулируемый выпрямитель от нерегулируемого? Напишите формулу регулировочной характеристики.

4. Почему в схеме управляемого выпрямителя тиристор закрывается автоматически?

5. Как происходит закрывание тиристора в цепях постоянного тока? Какие схемы применяются для этого?

Лекция 16. Запираемые тиристоры. Симметричные тиристоры – симисторы

16.1. Запираемые тиристоры

Тиристор, способный не только открываться, но и закрываться под воздействием сигнала на управляющем электроде, называется запираемыйтиристор. Условное графическое обозначение и схема замещения запираемого тиристора представлены на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Запираемый тиристор:

а – условное графическое обозначение; б – схема замещения

Рассмотрим принцип работы запираемого тиристора, воспользовавшись схемой замещения. Согласно выражению (14.3) ток во внешней цепи зависит от коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 иVT2. Ток управленияIУ, поступая на базу транзистораVT2, увеличивает для него ток базы и коэффициент передачи тока2. Тиристор открывается, когда 1 – (1+2) = 0. Более конкретно это описывается выражением

. (16.1)

Если теперь ток управления уменьшить до нуля (IУ= 0), тиристор останется открытым, при условии, что ток анода будет больше тока удержания.

Для закрывания тиристора на управляющий электрод необходимо подать напряжение отрицательной полярности. Тогда ток коллектора VT1 будет протекать по цепи управляющего электрода, а ток базы транзистораVT2 уменьшится, что приведёт к снижению коэффициентов передачи тока1и2и прекращению регенеративного процесса. ТранзисторVT2 можно вывести из насыщения при условии

, (16.2)

где IЗ– ток запирания тиристора по управляющему электроду.

Способность тиристора к запиранию по управляющему электроду характеризуется коэффициентом запирания

. (16.3)

Из выражения (16.3) следует, что коэффициент запирания зависит от коэффициентов передачи тока 1и2и будет тем больше, чем больше2. Это означает, что чем меньше степень насыщения перехода П2 тиристора, тем легче его закрыть по сигналу управляющего электрода. Степень насыщения перехода П2 зависит от тока через тиристор в открытом состоянии, поэтому коэффициент запирания также будет зависеть от тока анода тиристора (рис. 16.2)

Рис. 16.2. Зависимость коэффициента запирания от тока анода

Схема управления запираемым тиристором должна формировать импульсы положительной (для открывания) и отрицательной (для закрывания) полярности относительно катода. Наиболее просто это можно сделать, если в цепь управляющего электрода включить конденсатор (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Простейшая схема управления запираемым тиристором

При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается через резистор R1, и на управляющий электрод тиристора поступает импульс положительной полярности. Когда процесс заряда конденсатора закончится, ток управляющего электрода станет равным нулю. Если теперь замкнуть ключ К, начнётся разряд конденсатора С через резисторR2, и на управляющий электрод тиристора поступит импульс отрицательной полярности. Чтобы произошло закрывание тиристора, необходимо выполнить условие

;, (16.4)

где UЗ– напряжение на управляющем электроде, необходимое для запирания тиристора;

IЗ– ток управляющего электрода, необходимый для запирания тиристора;

tЗ– длительность запирающего импульса.

Существуют более сложные схемы управления, в которых для запирания тиристора применяется отдельный источник питания, а также специальные драйверы управления, как, например, в мощных запираемых тиристорах, сведения о которых можно прочитать в литературе [6, 11, 17].

Тиристоры — это разновидность полупроводниковых приборов. Они предназначены для регулирования и коммутации больших токов. Тиристор позволяет коммутировать электрическую цепь при подаче на него управляющего сигнала. Это делает его похожим на транзистор.

Как правило, тиристор имеет три вывода, один из которых управляющий, а два других образуют путь для протекания тока. Как мы знаем, транзистор открывается пропорционально величине управляющего тока. Чем он больше, тем больше открывается транзистор, и наоборот. А у тиристора все устроено иначе. Он открывается полностью, скачкообразно. И что самое интересное, не закрывается даже при отсутствии управляющего сигнала.

Принцип действия

Рассмотрим работу тиристора по следующей простой схеме.

К аноду тиристора подключается лампочка или светодиод, а к ней подсоединяется плюсовой вывод источника питания через выключатель К2. Катод тиристора подключен к минусу питания. После включения цепи на тиристор подается напряжение, однако светодиод не горит.

Если нажать на кнопку К1, ток через резистор поступит на управляющий электрод, и светодиод начал светиться. Часто на схемах его обозначают буквой «G», что обозначает gate, или по-русски затвор (управляющий вывод).

Резистор ограничивает ток управляющего вывода. Минимальный ток срабатывания данного рассматриваемого тиристора составляет 1 мА, а максимально допустимый ток 15 мА. С учетом этого в нашей схеме подобран резистор сопротивлением 1 кОм.

Если снова нажать на кнопку К1, то это не повлияет на тиристор, и ничего не произойдет. Чтобы перевести тиристор в закрытое состояние, нужно отключить питание выключателем К2. Если же снова подать питание, то тиристор вернется в исходное состояние.

Этот полупроводниковый прибор, по сути, представляет собой электронный ключ с фиксацией. Переход в закрытое состояние происходит и тогда, когда напряжение питания на аноде уменьшается до определенного минимума, примерно 0,7 вольта.

Особенности устройства

Фиксация включенного состояния происходит благодаря особенности внутреннего устройства тиристора. Примерная схема выглядит таким образом:

Обычно он представляется в виде двух транзисторов разной структуры, связанных между собой. Опытным путем можно проверить, как работают транзисторы, подключенные по такой схеме. Однако, имеются отличия в вольтамперной характеристике. И еще нужно учитывать, что приборы изначально спроектированы так, чтобы выдерживать большие токи и напряжения. На корпусе большинства таких приборов имеется металлический отвод, на который можно закрепить радиатор для рассеивания тепловой энергии.

Тиристоры выполняются в различных корпусах. Маломощные приборы не имеют теплового отвода. Распространенные отечественные тиристоры выглядят следующим образом. Они имеют массивный металлический корпус и выдерживают большие токи.

Основные параметры тиристоров
  • Максимально допустимый прямой ток . Это максимальное значение тока открытого тиристора. У мощных приборов оно достигает сотен ампер.
  • Максимально допустимый обратный ток .
  • Прямое напряжение . Это падение напряжения при максимальном токе.
  • Обратное напряжение . Это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии, при котором тиристор может работать без нарушения его работоспособности.
  • Напряжение включения . Это минимальное напряжение, приложенное к аноду. Здесь имеется ввиду минимальное напряжение, при котором вообще возможна работа тиристора.
  • Минимальный ток управляющего электрода . Он необходим для включения тиристора.
  • Максимально допустимый ток управления .
  • Максимально допустимая рассеиваемая мощность .
Динамический параметр

Время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое при поступлении сигнала.

Виды тиристоров

По способу управления разделяют на:
  • Диодные тиристоры, или по-другому динисторы. Они открываются импульсом высокого напряжения, которое подается на катод и анод.
  • Триодные тиристоры, или тринисторы. Они открываются током управления электродом.
Триодные тиристоры в свою очередь разделяются:
  • Управление катодом – напряжение, образующее ток управления, поступает на электрод управления и катод.
  • Управление анодом – управляющее напряжение подходит на электрод и анод.
Запирание тиристора производится:
  • Уменьшением анодного тока – катод меньше тока удержания.
  • Подачей напряжения запирания на электрод управления.
По обратной проводимости тиристоры делятся:
  • Обратно-проводящие – имеют малое обратное напряжение.
  • Обратно-непроводящие – обратное напряжение равно наибольшему прямому напряжению в закрытом виде.
  • С ненормируемым обратным значением напряжения – изготовители не определяют значение этой величины. Такие приборы применяются в местах, где обратное напряжение исключено.
  • Симистор – пропускает токи в двух направлениях.

Используя симисторы, нужно знать, что они действуют условно симметрично. Основная часть симисторов открывается, когда на электрод управления поступает положительное напряжение по сравнению с катодом, а на аноде может быть любая полярность. Но если на анод приходит отрицательное напряжение, а на электрод управления положительное, то симисторы не открываются, и могут выйти из строя.

По быстродействию разделяют по времени отпирания (включения) и времени запирания (отключения).

Разделение тиристоров по мощности

При действии тиристора в режиме ключа наибольшая мощность коммутируемой нагрузки определяется напряжением на тиристоре в открытом виде при наибольшем токе и наибольшей рассеиваемой мощности.

Действующая величина тока на нагрузку не должна быть выше наибольшей рассеиваемой мощности, разделенной на напряжение в открытом виде.

Простая сигнализация на основе тиристора

На основе тиристора можно сделать простую сигнализацию, которая будет реагировать на свет, издавая звук с помощью пьезоизлучателя. На управляющий вывод тиристора подается ток через фоторезистор и подстроечный резистор. Свет, попадая на фоторезистор, уменьшает его сопротивление. И на управляющий вывод тиристора начинает поступать отпирающий ток, достаточный для его открывания. После этого включается пищалка.

Подстроечный резистор предназначен для того, чтобы настроить чувствительность устройства, то есть, порог срабатывания при облучении светом. Самое интересное, что даже при отсутствии света тиристор продолжает оставаться в открытом состоянии, и сигнализирование не прекращается.

Если напротив светочувствительного элемента установить световой луч так, чтобы он светил немного ниже окошечка, то получится простейший датчик дыма. Дым, попадая между источником и приемником света, будет рассеивать свет, что вызовет запуск сигнализации. Для этого устройства обязательно нужен корпус, для того, чтобы на приемник света не поступал свет от солнца или искусственных источников света.

Открыть тиристор можно и другим способом. Для этого достаточно кратковременно подать небольшое напряжение между управляющим выводом и катодом.

Регулятор мощности на тиристоре

Теперь рассмотрим использование тиристора по прямому назначению. Рассмотрим схему простого тиристорного регулятора мощности, который будет работать от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Схема простая и содержит всего пять деталей.

  • Полупроводниковый диод VD.
  • Переменный резистор R1.
  • Постоянный резистор R2.
  • Конденсатор С.
  • Тиристор VS.

Их рекомендованные номинальные значения показаны на схеме. В качестве диода можно использовать КД209, тиристор КУ103В или мощнее. Резисторы желательно использовать мощностью не менее 2 ватт, конденсатор электролитический на напряжение не менее 50 вольт.

Эта схема регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Если представить, что мы из схемы убрали все элементы, кроме диода, то он будет пропускать только полуволну переменного тока, и на нагрузку, к примеру, на паяльник или лампу накаливания поступит лишь половина мощности.

Тиристор позволяет пропускать дополнительные, условно говоря, кусочки полупериода, срезанного диодом. При изменении положения переменного резистора R1 напряжение на выходе будет меняться.

К положительному выводу конденсатора включен управляющий вывод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, он открывается и пропускает определенную часть положительного полупериода. Переменный резистор будет определять скорость зарядки конденсатора. А чем быстрее он зарядится, тем раньше откроется тиристор, и успеет до смены полярности пропустить часть положительного полупериода.

На конденсатор отрицательная полуволна не поступает, и напряжение на нем одной полярности, поэтому не страшно, что он имеет полярность. Схема позволяет изменять мощность от 50 до 100%. Для паяльника это в самый раз подходит.

Тиристор пропускает ток в одном направлении от анода к катоду. Но существуют разновидности, которые пропускают ток в обоих направлениях. Они называются симметричные тиристоры или симисторы. Они используются для управления нагрузкой в цепях переменного тока. Существует большое количество схем регуляторов мощности на их основе.

Включение тиристора в цепь постоянного тока

Регулирование путём размыкания или шунтировки цепи

Эти методы выключения тиристоров в цепи постоянного тока могут быть применены к любому тиристору с регенеративным механизмом включения. Разумеется в качестве выключателя S применимы современные полупроводниковые приборы, достаточно согласовать управляющие импульсы на тиристор и прибор S соответствующим образом. На рисунке а) вполне применим низковольтный силовой быстрый биполярный транзистор с дополнительным форсированным запиранием. На рисунке b) необходим прибор S, имеющий низкое падение напряжения, он шунтирует тиристор имеющий прямое напряжение не более 2.5 вольт, обеспечивая прохождение основного тока через себя на время снижения тока в тиристоре ниже тока удержания и запирания его. Стоит помнить, что на момент отпирания прибора S прикладывается максимальное напряжение.

Принудительная коммутация

Основной (рабочий) тиристор Т2, при его отпирании, начинает течь ток в нагрузку и через диод D и дроссель L на конденсатор С разряжая его, после чего, когда перестал изменяться ток через дроссель конденсатор перезаряжается относительно входного напряжения создавая дополнительный источник напряжения необходимый для создания обратного напряжения для рабочего тиристора. Как недостаток схемы, большие токи через дроссель L, в случае коммутирующего конденсатора ёмкостью 4 мкф амплитуда тока около 20 ампер. Снижать ёмкость конденсатора при применении обычных, не быстрых тиристоров нет смысла, возможно не хватит времени разряда коммутирующего конденсатора через нагрузку для запирания рабочего тиристора, типовое время запирания которого150мкс, причём добавление резисторов в разрядную цепь коммутирующего конденсатора малоэффективно, можно легко превысить внутреннее сопротивление основного источника напряжения и потерять эффект шунтирования.

Для снижения габаритов (уменьшение ёмкости коммутирующего конденсатора) и увеличения диапазона регулирования можно использовать эту схему (с идеей ознакомил [email protected] ru)

В этом случае тиристор Т1 подключает резонансную цепь LC через необходимое время.

В этой схеме значительно уменьшен ток дросселя, форма выходного напряжения на номинальной нагрузке примерно такая как фон этой странички. Исключив "иглу" вначале импульса, увидим лёгкий завал фронта, по личным впечатлениям это лучший импульс "притягивания", более уловистый. Каких то особенностей схема не имеет, в качестве сердечника дросселя L я применяю витые тороидальные сердечники из электротехнической стали сечением 0.8-1.2 кв.см., число витков 2*100. Этот ключ применён так же в приборе "Аква".

Ключ на запираемом тиристоре

В последнее время появились надёжные запираемые тиристоры. Управление запираемых тиристоров GTO идёт по одному управляющему выводу прибора импульсами разной полярности, положительным на открывание и отрицательным на запирание.

Когда схема подключается к источнику постоянного напряжения, времязадающий конденсатор С1 заряжается. При достижении уровня пробоя динистора Т2 тиристор Т1 открывается и нагрузка оказывается под напряжением. Теперь конденсатор С2 начинает накапливать заряд до уровня пробоя динистора Т3 прикладывая анпряжение на управляющий электрод тиристора Т1 относительно катода, что и выключает тиристор, далее цикл повторяется. типовые значения конденсаторов С1 и С2 примерно 0.5-1 мкф, резистором Rf регулируем частоту следования импульсов, а резистором Rt их длительность. Параметры динисторов выбираются в зависимости от применяемого запираемого тиристора, обычно на открывание амплитуда управляющего импульса запираемого тиристора не превышает нескольких вольт, на запирание 70-80 вольт. Разумеется легко обойтись без динисторов в управлении, используя отдельное двухполярное питание, но есть решения и с однополярным драйвером, формирующим импульсы запирания.

Управление запираемым GTO тиристором от источника однополярного напряжения

Эта схема используется в преобразователе с внешним возбуждением на GTO тиристоре мощностью 1200 вт с частотой 20кГц. При переключении транзистора Т1 из включенного состояния в выключенное и обратно, к управляющему электроду тиристора поступают как положительные (включающие) так и отрицательные (выключающие) импульсы. Амплитуда отрицательного импульса почти вдвое превышает напряжение источника питания этого драйвера. К сожалению, для наших условий (малая длительность и частота повторения импульсов ) КПД этой схемы низок, большую часть времени транзистор Т1 будет открыт рассеивая мощность на резисторе R3. Так же важным параметром для тиристоров GTO является длительность включающего импульса. При некоторых условиях (слабая нагрузка, высокая температура) GTO тиристор может испытывать трудности быстрого защёлкивания в состояние насыщения, если запускается очень короткими импульсами, при более длительных импульсах проблема исчезает. Более выгодным решением будет использование твухтактного выходного каскада на комплементарных парах транзисторов с двухполярным источником питания.


♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

  • — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
  • — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
  • — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.


Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

  • — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
  • — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
  • — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
  • — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта.
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

В настоящее время тиристоры находят широкое применение в различных устройствах автоматического контроля, сигнализации и управления. Тиристор представляет собой управляемый полупроводниковый диод, которому свойственны два устойчивых состояния: открытое, когда прямое сопротивление тиристора весьма мало и ток в его цепи зависит в основном от напряжения источника питания и сопротивления нагрузки, и закрытое, когда его прямое сопротивление велико и ток составляет единицы миллиампер.

На рис. 1 показана типовая вольтамперная характеристика тиристора, где участок О А соответствует закрытому состоянию тиристора, а участок БВ — открытому.

При отрицательных напряжениях тиристор ведет себя как обычный диод (участок ОД).

Если увеличивать прямое напряжение на закрытом тиристоре при токе управляющего электрода, равном нулю, то при достижении величины Uвкл тиристор откроется. Такое переключение тиростора называют переключением по аноду. Работа тиристора при этом аналогична работе неуправляемого полупроводникового четырехслойного диода — динистора.

Наличие управляющего электрода позволяет открывать тиристор при анодном напряжении, меньшем Uвкл. Для этого необходимо по цепи управляющий электрод — катод пропустить ток управления Iу. Вольтамперная характеристика тиристора для этого случая показана на рис. 1 пунктиром. Минимальный ток управления, необходимый для открывания тиристора, называется током спрямления Iспр. Ток спрямления сильно зависит от температуры. В справочниках он указывается при определенном анодном напряжении. Если за время действия тока управления анодный ток превысит значение тока выключения Iвыкл, то тиристор останется открытым и по окончании действия тока управления; если же этого не произойдет, то тиристор снова закроется.

При отрицательном напряжении на аноде тиристора подача напряжения на его управляющий электрод не допускается. Недопустимо также на управляющем электроде отрицательное (относительно катода) напряжение, при котором обратный ток управляющего электрода превышает несколько миллиампер.

Открытый тиристор можно перевести в закрытое состояние, только снизив его анодный ток до величины, меньшей Iвыкл. В устройствах постоянного тока для этой цели используются специальные гасящие цепочки, а в цепи переменного тока тиристор закрывается самостоятельно в момент перехода величины анодного тока через нуль.

Это является причиной наиболее широкого применения тиристоров в цепях переменного тока. Все рассматриваемые ниже схемы имеют отношение только к тиристорам, включенным в цепь переменного тока.

Для обеспечения надежной работы тиристора источник управляющего напряжения должен удовлетворять определенным требованиям. На рис. 2 показана эквивалентная схема источника управляющего напряжения, а на рис. 3 — график, с помощью которого можно определить требования к его нагрузочной прямой.

На графике линии А и Б ограничивают зону разброса входных вольтамперных характеристик тиристора, представляющих собой зависимости напряжения на управляющем электроде Uу от тока этого электрода Iу при разомкнутой анодной цепи. Прямая В определяет минимальное напряжение Uу, при котором открывается любой тиристор данного типа при минимальной температуре. Прямая Г определяет минимальный ток Iу, достаточный для открывания любого тиристора данного типа при минимальной температуре. Каждый конкретный тиристор открывается в определенной точке своей входной характеристики. Заштрихованная зона является геометрическим местом таких точек для всех тиристоров данного типа, удовлетворяющих техническим условиям. Прямые Д и Е определяют максимально допустимые значения напряжения Uу и тока Iу соответственно, а кривая К — максимально допустимое значение мощности, рассеиваемой на управляющем электроде. Нагрузочная прямая Л источника управляющего сигнала проведена через точки, определяющие напряжение холостого хода источника Еу.хх и его ток короткого замыкания Iу.кз= Eу.хх/Rвнутр, где Rвнутр— внутреннее сопротивление источника. Точка S пересечения нагрузочной прямой Л с входной характеристикой (кривая М) выбранного тиристора должна находиться в области, лежащей между заштрихованной зоной и линиями А, Д, К, Е и Б.

Эта область носит название предпочтительной области открывания. Горизонтальная прямая Н определяет наибольшее напряжение на управляющем переходе, при котором не открывается ни один тиристор данного типа при максимально допустимой температуре. Таким образом, эта величина, составляющая десятые доли вольта, определяет максимально допустимую амплитуду напряжения помехи в цепи управления тиристором.

После открывания тиристора цепь управления не влияет на его состояние, поэтому управление тиристором может осуществляться импульсами небольшой длительности (десятки или сотни микросекунд), что позволяет упростить схемы управления и снизить мощность, рассеиваемую на управляющем электроде. Длительность импульса, однако, должна быть достаточной для нарастания анодного тока до величины, превышающей ток выключения Iвыкл при различном характере нагрузки и режиме работы тиристора.

Сравнительная простота устройств управления при работе тиристоров в цепях переменного тока обусловила широкое применение этих приборов в качестве регулирующих элементов в устройствах стабилизации и регулирования напряжения. Среднее значение напряжения на нагрузке при этом регулируют изменением момента подачи (то есть фазы) управляющего сигнала относительно начала полупериода питающего напряжения. Частота следования управляющих импульсов в таких схемах должна быть синхронизирована с частотой сети.

Существует несколько методов управления тиристорами, из которых следует отметить амплитудный, фазовый и фазо-импульсный.

Амплитудный метод управления заключается в том, что на управляющий электрод тиристора подают положительное напряжение, изменяющееся по величине. Тиристор открывается в тот момент, когда это напряжение становится достаточным для протекания через управляющий переход тока спрямления. Изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять момент открывания тиристора. Простейшая схема регулятора напряжения, построенная по этому принципу, приведена на рис. 4.

В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, то есть напряжения положительного полупериода сети. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора Д1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке. При полностью введенном резисторе R2 напряжение на нагрузке минимально. Диод Д2 защищает управляющий переход тиристора от обратного напряжения. Следует обратить внимание на то, что цепь управления подключена не непосредственно к сети, а параллельно тиристору. Сделано это для того, чтобы открытый тиристор шунтировал цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.

Основными недостатками рассматриваемого устройства являются сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. Первое объясняется температурной зависимостью тока спрямления тиристоров, второе — большим разбросом их входных характеристик. Кроме того, устройство способно регулировать момент открывания тиристора только в течение первой половины положительного полупериода напряжения сети.

Управляющее устройство, схема которого приведена на рис. 5, позволяет расширить диапазон регулирования до 180°, а включение тиристора в диагональ выпрямительного моста — регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.

Конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения, при котором через управляющий переход тиристора протекает ток, равный току спрямления. При этом тиристор открывается, пропуская ток через нагрузку. Благодаря наличию конденсатора напряжение на нагрузке меньше зависит от колебаний температуры, но тем не менее и этому устройству присущи те же недостатки.

При фазовом методе управления тиристорами с помощью фазовращательного моста изменяют фазу управляющего напряжения относительно напряжения на аноде тиристора. На рис. 6 приведена схема однополупериодного регулятора напряжения, в котором изменение напряжения на нагрузке осуществляется резистором R2, включенным в одно из плеч моста, с диагонали которого напряжение поступает на управляющий переход тиристора.

Напряжение на каждой половине обмотки III управления должно быть приблизительно 10 в. Остальные параметры трансформатора определяются напряжением и мощностью нагрузки. Основным недостатком фазового метода управления является малая крутизна управляющего напряжения, из-за чего стабильность момента открывания тиристора получается невысокой.

Фазо-импульсный метод управления тиристорами отличается от предыдущего тем, что с целью повышения точности и стабильности момента открывания тиристора на его управляющий электрод подают импульс напряжения с крутым фронтом. Этот метод получил в настоящее время наибольшее распространение. Схемы, реализующие этот метод, отличаются большим разнообразием.

На рис. 7 приведена схема одного из самых простых устройств, использующих фазо-импульсный метод управления тиристором.

При положительном напряжении на аноде тиристора Д3 конденсатор С1 заряжается через диод Д1 и переменный резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения включения динистора Д2, он открывается и конденсатор разряжается через управляющий переход тиристора. Этот импульс разрядного тока открывает тиристор Д3 и через нагрузку начинает протекать ток. Изменяя резистором R1 ток заряда конденсатора, можно изменять момент открывания тиристора в пределах полупериода напряжения сети. Резистор R2 исключает самооткрывание тиристора Д3 за счет токов утечки при повышенной температуре. По техническим условиям при работе тиристоров в ждущем режиме установка этого резистора обязательна. Приведенная на рис. 7 схема не нашла широкого применения из-за большого разброса величины напряжения включения динисторов, доходящего до 200%, и значительной зависимости напряжения включения от температуры.

Одной из разновидностей фазо-импульеного метода управления тиристорами является получившее в настоящее время наибольшее распространение так называемое вертикальное управление. Оно заключается в том, что на входе генератора импульсов производится сравнение (рис. 8) постоянного напряжения (1) и напряжения, изменяющегося по величине (2). В момент равенства этих напряжений генерируется импульс (3) управления тиристором. Переменное по величине напряжение может иметь синосоидальную, треугольную или пилообразную (как показано на рис. 8) форму.

Как видно из рисунка, изменение момента возникновения управляющего импульса, то есть сдвиг его фазы, может производиться тремя различными способами:

изменением скорости нарастания переменного напряжения (2а),

изменением его начального уровня (2б) и

изменением величины постоянного напряжения (1а).

На рис. 9 показана структурная схема устройства, реализующего вертикальный метод управления тиристорами.

Как и любое другое устройство фазо-импульсного управления, оно состоит из фазосдвигающего устройства ФСУ и генератора импульсов ГИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит входное устройство ВУ, воспринимающее напряжение управления Uу, генератор переменного (по величине) напряжения ГПН и сравнивающее устройство СУ. В качестве названных элементов могут быть использованы самые различные устройства.

На рис. 10 приведена принципиальная схема устройства управления тиристором (Д5), включенным последовательно с мостовым выпрямителем (Д1 — Д4).

Устройство состоит из генератора пилообразного напряжения с транзисторным коммутатором (Т1), триггера Шмитта (Т2, Т3) и выходного ключевого усилителя (Т4). Под действием напряжения, снимаемого с синхронизирующей обмотки III трансформатора Тр1, транзистор Т1 закрыт. При этом конденсатор С1 заряжается через резисторы R3 и R4. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальной кривой, начальный участок которой с некоторым приближением можно считать прямолинейным (2, см. рис. 8).

При этом транзистор Т2 закрыт, а Т3 открыт. Ток эмиттера транзистора Т3 создает на резисторе R6 падение напряжения, которое определяет уровень срабатывания триггера Шмитта (1 на рис. 8). Сумма напряжений на резисторе R6 и открытом транзисторе Т3 меньше, чем напряжение на стабилитроне Д10, поэтому транзистор Т4 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает уровня срабатывания триггера Шмитта, транзистор Т2 открывается, а Т3 закрывается. Транзистор T4 при этом открывается и на резисторе R10 появляется импульс напряжения, открывающий тиристор Д5 (импульс 3 на рис. 8). В конце каждого полупериода напряжения сети транзистор T1 открывается током, протекающим через резистор R2. Конденсатор С1 при этом разряжается практически до нуля и устройство управления возвращается в исходное состояние. Тиристор закрывается в момент перехода амплитуды анодного тока через нуль. С началом следующего полупериода цикл работы устройства повторяется.

Изменяя сопротивление резистора R3, можно изменять ток заряда конденсатора С1, то есть скорость нарастания напряжения на нем, а значит, и момечт появления открывающего тиристор импульса. Заменив резистор R3 транзистором, можно автоматически регулировать напряжение на нагрузке. Таким образом, в этом устройстве использован первый из названных выше способов сдвига фазы управляющих импульсов.

Небольшое изменение схемы, показанное на рис. 11, позволяет получить регулирование по второму способу. В этом случае конденсатор С1 заряжается через постоянный резистор R4 и скорость нарастания пилообразного напряжения во всех случаях одинакова. Но при открывании транзистора T1 конденсатор разряжается не до нуля, как в предыдущем устройстве, а до напряжения управления Uу.
Следовательно, и заряд конденсатора в очередном цикле начнется с этого уровня. Изменяя напряжение Uу, регулируют момент открывания тиристора. Диод Д11 отключает источник напряжения управления от конденсатора во время его заряда.

Выходной каскад на транзисторе T4 обеспечивает необходимое усиление по току. Используя в качестве нагрузки импульсный трансформатор, можно одновременно управлять несколькими тиристорами.

В рассматриваемых устройствах управления к управляющему переходу тиристора напряжение приложено в течение отрезка времени от момента равенства постоянного и пилообразного напряжений до окончания полупериода напряжения сети, то есть до момента разряда конденсатора C1. Уменьшить длительность управляющего импульса можно включением дифференцирующей цепочки на входе усилителя тока, выполненного на транзисторе Т4 (см. рис. 10).

Одним из вариантов вертикального метода управления тиристорами является число-импульсный метод. Его особенность состоит в том, что на управляющий электрод тиристора подают не один импульс, а пачку коротких импульсов. Длительность пачки равна длительности управляющего импульса, показанного на рис. 8.

Частота следования импульсов в пачке определяется параметрами генератора импульсов. Число-импульсный метод управления обеспечивает надежное открывание тиристора при любом характере нагрузки и позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на управляющем переходе тиристора. Кроме этого, если на выходе устройства включен импульсный трансформатор, возможно уменьшить его размеры и упростить конструкцию.

На рис. 12 приведена схема управляющего устройства, использующего число-импульсный метод.

В качестве узла сравнения и генератора импульсов здесь применен балансный диодно-регенеративный компаратор, состоящий из схемы сравнения на диодах Д10, Д11 и собственно блокинг-генератора, собранного на транзисторе Т2. Диоды Д10, Д11 управляют работой цепи обратной связи блокинг-генератора.

Как и в предыдущих случаях, при закрытом транзисторе Т1 начинается заряд конденсатора С1 через резистор R3. Диод Д11 открыт напряжением Uу, а диод Д10 закрыт. Таким образом, цепь обмотки IIa положительной обратной связи блокинг-генератора разомкнута, а цепь обмотки IIб отрицательной обратной связи замкнута и транзистор Т2 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет напряжения Uу, диод Д11 закроется, а Д10 откроется. Цепь положительной обратной связи окажется замкнутой, и блокинг-генератор начнет вырабатывать импульсы, которые с обмотки I трансформатора Тр2 будут поступать на управляющий переход тиристора. Генерация импульсов будет продолжаться до конца полупериода напряжения сети, когда откроется транзистор T1 и конденсатор С1 разрядится. Диод Д10 при этом закроется, а Д11 откроется, блокинг-процесс прекратится, и устройство вернется в исходное состояние. Изменяя напряжение управления Uу, можно изменять момент начала генерации относительно начала полупериода и, следовательно, момент открывания тиристора. Таким образом, в данном случае используется третий способ сдвига фазы управляющих импульсов.

Применение балансной схемы узла сравнения обеспечивает температурную стабильность его работы. Кремниевые диоды Д10 и Д11 с малым обратным током позволяют получить высокое входное сопротивление сравнивающего узла (около 1 Мом). Поэтому он не оказывает практически никакого влияния на процесс заряда конденсатора С1. Чувствительность узла весьма высока и составляет несколько милливольт. Резисторы R6, R8, R9 и конденсатор С3 определяют температурную стабильность рабочей точки транзистора Т2. Резистор R7 служит для ограничения коллекторного тока этого транзистора и улучшения формы импульса блокинг-генератора. Диод Д13 ограничивает выброс напряжения на коллекторной обмотке III трансформатора Тр2, возникающий при закрывании транзистора. Импульсный трансформатор Тр2 можно выполнить на ферритовом кольце 1000НН типоразмера К15Х6Х4,5. Обмотки I и III содержат по 75, а обмотки II а и II б — по 50 витков провода ПЭВ-2 0,1.

Недостатком этого устройства управления является сравнительно низкая частота следования импульсов (примерно 2 кгц при длительности импульса 15 мксек). Увеличить частоту можно, например, уменьшив сопротивление резистора R4, через который разряжается конденсатор С2, но при этом несколько ухудшается температурная стабильность чувствительности сравнивающего узла.

Число-импульсный метод управления тиристорами можно использовать и в рассмотренных выше (рис. 10 и 11) устройствах, поскольку при определенном выборе номиналов элементов (С1, R4— R10, см. рис. 10) триггер Шмитта при напряжении на конденсаторе С1, превышающем уровень срабатывания триггера, генерирует не одиночный импульс, а последовательность импульсов. Их длительность и частота следования определяются параметрами и режимом триггера. Такое устройство получило название «мультивибратор с разрядным триггером».

В заключение следует отметить, что значительное схемное упрощение устройств управления тиристорами при сохранении высоких качественных показателей может быть достигнуто с помощью однопереходных транзисторов.

Закрывание тиристора в цепи постоянного тока — Студопедия

Как было отмечено выше, в схеме выпрямителя тиристор автоматически закрывается при поступлении отрицательной полуволны синусоиды (смене полярности напряжения анод-катод). Если же тиристор применяется в цепях постоянного тока, смены полярности не происходит, и для закрывания тиристора приходится применять специальные схемы запирания, в которых формируется или встречный ток, или встречное напряжение. Схемы запирания тиристора представлены на рис. 15.6.

а) б)

Рис. 15.6. Схемы запирания тиристоров в цепях постоянного тока:

а – схема встречного напряжения; б – схема встречного тока

Каждая схема содержит коммутирующий конденсатор С, который предварительно заряжается от дополнительного источника питания. В момент времени, когда нужно закрыть тиристор, замыкается ключ К, в качестве которого может быть использован дополнительный тиристор или транзистор.

На схеме встречного напряжения конденсатор разряжается на тиристор, в результате чего к тиристору прикладывается встречное напряжение. Закрываются переходы П1 и П3, рассасываются заряды в переходе П2, и тиристор закрывается. Главное условие – запасённого в конденсаторе С заряда должно хватить, чтобы поддерживать достаточное по величине встречное напряжение на время завершения переходного процесса закрывания тиристора (см. раздел 14.2). Преимущество схемы – простое исполнение. Недостаток – в момент коммутации происходит бросок напряжения в нагрузке на величину напряжения заряженного конденсатора С.


На схеме встречного тока конденсатор разряжается на трансформатор тока, включённый в анодную цепь тиристора. На вторичной обмотке трансформатора формируется ток, направленный встречно току анодной цепи тиристора. В результате ток становится меньше тока удержания, рассасываются заряды в переходе П2, и тиристор закрывается. Главное условие – запасённого в конденсаторе С заряда должно хватить, чтобы поддерживать достаточный по величине встречный ток на время завершения переходного процесса закрывания тиристора. Преимущество схемы - в момент коммутации не происходит броска напряжения в нагрузке. Недостаток – применение трансформатора тока (трудность технологического исполнения и большая стоимость изделия).

Что такое тиристор? Подробное описание полупроводника. Как работают мощные силовые тиристоры

Тиристор представляет собой электронный силовой частично управляемый ключ. Этот прибор, с помощью сигнала управления может находиться только в проводящем состоянии, то есть быть включенным. Для того, чтобы его выключить, нужно проводить специальные мероприятия, которые обеспечивают падение прямого тока до нулевого значения. Принцип работы тиристора заключается в односторонней проводимости, в закрытом состоянии может выдержать не только прямое, но и обратное напряжение.

Свойства тиристоров

По своим качествам, тиристоры относятся к полупроводниковым приборам. В их полупроводниковой пластине присутствуют смежные слои, обладающие различными типами проводимости. Таким образом, каждый тиристор представляет собой прибор, имеющий четырехслойную структуру р-п-р-п.

К крайней области р-структуры производится подключение положительного полюса источника напряжения. Поэтому, данная область получила название анода. Противоположная область п-типа, куда подключается отрицательный полюс, называется катодом. Вывод из внутренней области осуществляется с помощью р-управляющего электрода.

Классическая модель тиристора состоит из двух , имеющих разную степень проводимости. В соответствии с данной схемой, производится соединение базы и коллектора обоих транзисторов. В результате такого соединения, питание базы каждого транзистора осуществляется с помощью коллекторного тока другого транзистора. Таким образом, получается цепь с положительной обратной связью.

Если ток отсутствует в управляющем электроде, то транзисторы находятся в закрытом положении. Течение тока через нагрузку не происходит, и тиристор остается закрытым. При подаче тока выше определенного уровня, в действие вступает положительная обратная связь. Процесс становится лавинообразным, после чего происходит открытие обоих транзисторов. В конечном итоге, после открытия тиристора, наступает его стабильное состояние, даже в случае прекращения подачи тока.

Работа тиристора при постоянном токе

Рассматривая электронный тиристор принцип работы которого основан на одностороннем движении тока, следует отметить его работу при постоянном токе.

Обычный тиристор включается путем подачи импульса тока в цепь управления. Эта подача осуществляется со стороны положительной полярности, противоположной, относительно катода.

Во время включения, продолжительность переходного процесса обусловлена характером нагрузки, амплитудой и скоростью, с которой нарастает импульс тока управления. Кроме того, этот процесс зависит от температуры внутренней структуры тиристора, тока нагрузки и приложенного напряжения. В цепи, где установлен тиристор, не должно быть недопустимой скорости роста напряжения, которое может привести к его самопроизвольному включению.

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

  1. Прокол обеднённой области .

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение , отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис. 3). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины W n1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше W n1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 4 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок , инжектируемых переходом J1, и электронов , инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера I E , коллектора I C и базы I B и статическим коэффициентом усиления по току α 1 p-n-p транзистора также приведена на рис. 4, где I Со - обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Рис. 4. Двухтранзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов и соотношение токов в p-n-p транзисторе.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток I g втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен I B1 = (1 - α 1)I A - I Co1 . Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α 2 равен I C2 = α 2 I K + I Co2 .

Приравняв I B1 и I C2 , получим (1 - α 1)I A - I Co1 = α 2 I K + I Co2 . Так как I K = I A + I g , то

Рис. 5. Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояние равновесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости.

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α 1 + α 2 I A мал. (Коэффициенты α1 и α2 сами зависят от I A и обычно растут с увеличением тока) Если α1 + α2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 - в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 - в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: V AK = V 1 + V 2 + V 3 . По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 5, в), и падение напряжения V AK = (V 1 - |V 2 | + V 3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны - из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p + -i-n +)-диоду…

Классификация тиристоров

  • тиристор диодный (доп. название "динистор") - тиристор, имеющий два вывода
    • тиристор диодный, не проводящий в обратном направлении
    • тиристор диодный, проводящий в обратном направлении
    • тиристор диодный симметричный (доп. название "диак")
  • тиристор триодный (доп. название "тринистор") - тиристор, имеющий три вывода
    • тиристор триодный, не проводящий в обратном направлении (доп. название "тиристор")
    • тиристор триодный, проводящий в обратном направлении (доп. название "тиристор-диод")
    • тиристор триодный симметричный (доп. название "триак", неоф. название "симистор")
    • тиристор триодный асимметричный
    • запираемый тиристор (доп. название "тиристор триодный выключаемый")

Отличие динистора от тринистора

Принципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если открытие динистора происходит при достижении между выводами анода и катода определённого напряжения, зависящего от типа данного динистора, то в тринисторе напряжение открытия может быть специально снижено, путём подачи импульса тока определённой длительности и величины на его управляющий электрод при положительной разности потенциалов между анодом и катодом, и конструктивно тринистор отличается только наличием управляющего электрода. Тринисторы являются наиболее распространёнными приборами из «тиристорного» семейства.

Отличие тиристора триодного от запираемого тиристора

Переключение в закрытое состояние обычных тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения I h , либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом.

Запираемые тиристоры, в отличие от обычных тиристоров, под воздействием тока управляющего электрода могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы закрыть запираемый тиристор, необходимо через управляющий электрод пропустить ток противоположной полярности, чем полярность, которая вызывала его открытие.

Симистор

Симистор (симметричный тиристор) представляет собой полупроводниковый прибор, по своей структуре является аналогом встречно-параллельного включения двух тиристоров. Способен пропускать электрический ток в обоих направлениях.

Характеристики тиристоров

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10 9 А/с, напряжения - 10 9 В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения - от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; КПД достигает 99 %.

Применение

  • Управляемые выпрямители
  • Преобразователи (инверторы)
  • Регуляторы мощности (диммеры)

См. также

  • CDI (Capacitor Discharge Ignition)

Примечания

Литература

  • ГОСТ 15133-77.
  • Кублановский. Я. С. Тиристорные устройства. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1987. - 112 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1104).

Ссылки

  • Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения
  • Управление тиристорами и симисторами через микроконтроллер или цифровую схему
  • Преобразовательные устройства в системах электроснабжения
  • Рогачёв К.Д. Современные силовые запираемые тиристоры .
  • Отечественные Аналоги Импортных Тиристоров
  • Справочники по тиристорам и аналогам,Замена тиристоров,замена диодов.Стабилитроны
Пассивные твердотельные Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Переменный конденсатор · Подстроечный конденсатор · Катушка индуктивности · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор
Активные твердотельные Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна
Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор ·

Тиристор это полупроводниковый прибор, предназначенный для работы в качестве ключа. Он имеет три электрода и структуру p-n-p-n из четырёх слоёв полупроводника. Электроды именуются как анод, катод и управляющий электрод. Структура p-n-p-n функционально аналогична нелинейному резистору, который способен принимать два состояния:

  • с очень большим сопротивлением, выключенное;
  • с очень малым сопротивлением, включенное.

Виды

На включенном тиристоре сохраняется напряжение около одного или нескольких Вольт, которое незначительно увеличивается с возрастанием силы тока, протекающего через него. В зависимости от вида тока и напряжения, приложенного к электрической цепи с тиристором, в ней используется одна из трёх современных разновидностей этих полупроводниковых приборов. На постоянном токе работают:

  • включаемые тринисторы;
  • три разновидности запираемых тиристоров, именуемых как

На переменном и постоянном токе работают симисторы. Все эти тиристоры содержат управляющий электрод и два других электрода, через которые тёчёт ток нагрузки. Для тринисторов и запираемых тиристоров это анод и катод, для симисторов наименование этих электродов обусловлено правильностью определения свойств управляющего сигнала, подаваемого на управляющий электрод.

Наличие в тиристоре структуры p-n-p-n позволяет разделить её условно на две области, каждая из которых является биполярным транзистором соответствующей проводимости. Таким образом, эти взаимосвязанные транзисторы являются эквивалентом тиристора, что имеет вид схемы на изображении слева. Первыми на рынке появились тринисторы.

Свойства и характеристики

По сути это аналог самоблокирующегося реле с одним нормально разомкнутым контактом, роль которого выполняет полупроводниковая структура, расположенная между анодом и катодом. Отличие от реле состоит в том, что для этого полупроводникового прибора может быть применено несколько способов включения и выключения. Все эти способы объясняются транзисторным эквивалентом тринистора.

Два эквивалентных транзистора охвачены положительной обратной связью. Она многократно усиливает любые изменения тока в их полупроводниковых переходах. Поэтому существует несколько видов воздействия на электроды тринистора для его включения и выключения. Первые два способа позволяют выполнить включение по аноду.

  • Если напряжение на аноде увеличивать, при его определённом значении начнут сказываться эффекты начинающегося пробоя полупроводниковых структур транзисторов. Появившийся начальный ток лавинообразно усилится положительной обратной связью и оба транзистора включатся.
  • При достаточно быстром увеличении напряжения на аноде происходит заряд межэлектродных ёмкостей, которые присутствуют в любых электронных компонентах. При этом в электродах появляются зарядные токи этих ёмкостей, которые подхватывает положительная обратная связь и всё заканчивается включением тринистора.

Если перечисленные выше изменения напряжения отсутствуют, включение обычно происходит током базы эквивалентного n-p-n транзистора. Выключить тринистор можно одним из двух способов, которые также становятся понятны из-за взаимодействия эквивалентных транзисторов. Положительная обратная связь в них действует, начиная с некоторых величин токов, протекающих в структуре p-n-p-n. Если величину тока сделать меньше этих величин, положительная обратная связь сработает на быстрое исчезновение токов.

Другой способ выключения использует прерывание положительной обратной связи импульсом напряжения, который меняет полярность на аноде и катоде. При таком воздействии направления токов между электродами изменяется на противоположные и тринистор выключается. Поскольку для полупроводниковых материалов характерно явление фотоэффекта, существуют фото- и оптотиристоры, у которых включение может быть обусловлено освещением либо приёмного окошка, либо светодиодом в корпусе этого полупроводникового прибора.

Существуют ещё и так называемые динисторы (неуправляемые тиристоры). В этих полупроводниковых приборах нет управляющего электрода конструктивно. По своей сути это тринистор с одним отсутствующим выводом. Поэтому их состояние зависит только от напряжения анода и катода и они не могут включиться управляющим сигналом. В остальном процессы в них аналогичны обычным тринисторам. То же относится и к симисторам, которые по сути являются двумя тринисторами соединёнными параллельно. Поэтому они применяются для управления переменным током без дополнительных диодов.

Запираемые тиристоры

Если определённым образом изготовить области структуры p-n-p-n вблизи баз эквивалентных транзисторов можно достичь полной управляемости тиристором со стороны управляющего электрода. Такая конструкция структуры p-n-p-n показана на изображении слева. Включать и выключать такой тиристор можно соответствующими сигналами в любой момент времени подавая их на управляющий электрод. Остальные способы включения, применяемые к тринисторам, для запираемых тиристоров так же годятся.

Однако эти способы не применяются к таким полупроводниковым приборам. Они наоборот исключаются теми или иными схемотехническими решениями. Целью является получение надёжного включения и выключения только по управляющему электроду. Это необходимо для использования таких тиристоров в мощных инверторах повышенной частоты. GTO работают на частотах до 300 Герц, а IGCT способны на существенно более высокие частоты, достигающие 2 кГц. Номинальные значения токов могут быть несколько тысяч ампер, а напряжение – несколько киловольт.

Сравнение различных тиристоров приведено в таблице ниже.

Разновидность тиристора Преимущества Недостатки Где используется
Тринистор Минимальное напряжение во включенном состоянии при максимально больших токах и перегрузках. Наиболее надёжен из всех. Хорошая масштабируемость схем путём совместной работы нескольких тринисторв соединяемых либо параллельно, либо последовательно Отсутствует возможность произвольного управляемого отключения только управляющим электродом. Наиболее низкие рабочие частоты. Электроприводы, источники электропитания питания большой мощности; сварочные инверторы; управление мощными нагревателями; статические компенсаторы; коммутаторы в цепях с переменным током
GTO Возможность произвольного управляемого выключения. Относительно высокая способность к перегрузкам по току. Способность надёжно работать при последовательном соединении. Рабочая частота до 300 Гц, напряжение до 4000 В. Значительно напряжение во включенном состоянии при максимально больших токах и перегрузках и соответствующие им потери, в том числе и в системах управления. Сложная схемотехника построения системы в целом. Большие динамические потер.
IGCT Возможность произвольного управляемого выключения. Относительно высокая способность к перегрузкам по току. Относительно малое напряжение во включенном состоянии при максимально больших токах и перегрузках. Рабочая частота — до 2000 Гц. Простое управление. Способность надёжно работать при последовательном соединении. Наиболее дорогие из всех тиристоров Электроприводы; статические компенсаторы реактивной мощности; источники электропитания питания большой мощности, индукционные нагреватели

Тиристоры изготавливаются для широкого диапазона токов и напряжений. Конструкция их определяется размерами структуры p-n-p-n и необходимостью получения надёжного отвода тепла от неё. Современные тиристоры, а также их обозначения на электрических схемах показаны на изображениях ниже.

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях - закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Одна из крайних областей, на которую подключают положительный полюс питания называют анод , р – типа
Другая, к которой подсоединяют отрицательное полюс напряжения, называют катод , – n типа
Управляющий электрод подключен к внутренним слоям.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается , тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1 .

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня - напряжение включения U вкл , в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер . В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p -области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n -области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах , через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении R n растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как на прямой ветви - отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает .

Напряжение включения U вкл , можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод , запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – U упр . Как хорошо видно из графика – при росте U упр напряжение включения снижается.

Основные характеристики тиристоров

U вкл напряжение включения – при нем осуществляется переход тиристора в открытое состояние
U o6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение при нем происходит электрический пробой p-n перехода. Для многих тиристоров будет верно выражение U o6p.max . = U вкл
I max - максимально допустимое значение тока
I ср - среднее значение тока за период U np - прямое падение напряжения при открытом тиристоре
I o6p.max - обратный максимальный ток начинающий течь при приложении U o6p.max , за счет перемещения неосновных носителей заряда
I удерж ток удержания – значение анодного тока, при котором осуществляется запирание тиристора
P max - максимальная рассеиваемая мощность
t откл - время отключения необходимое для запирания тиристора

Запираемые тиристоры - имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

В отличие от своих четырехслойных родственников - тиристоров, они имеют пятислойную структуру.


Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.


Принцип работы симистора

Если у стандартного тиристора имеются анод и катод то электроды симистора так описать нельзя т.к каждый уго электрод является и анодом и катодом одновременно. Поэтому симистор способен пропускать ток в обоих направлениях. Именно поэтому он отлично работает в цепях переменного тока.

Очень простой схемой, поясняющей принцип симистора является регулятор симисторный регулятор мощности.


После подачи напряжения на один из выводов симистора поступает переменное напряжение. На электрод, являющийся управляющим с диодного моста поступает отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор отпирается и ток поступает в подключенную нагрузку. В момент времени, когда на входе симистора меняется полярность напряжения он запирается. Затем алгоритм повторяется.

Чем выше уровень управляющего напряжения тем быстрее срабатывает симистор и длительность импульса на нагрузке увеличивается. При снижении уровня управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке также снижается. На выходе симисторного регулятора напряжение будет пилообразной формы с регулируемой длительностью импульса. Таким образом, регулируя управляющее напряжение мы можем изменять яркость лампочки накаливания или температуру жала паяльника подключенных в качестве нагрузки.

Итак симистор управляется как отрицательным так и положительным напряжением. Давайте выделим его минусы и плюсы.

Плюсы: низкая стоимость, большой срок службы, отсутствие контактов и, как следствие, отсутствие искрения и дребезга.
Минусы: достаточно чувствителен к перегреву и его обычно монтируют на радиаторе. Не работает на высоких частотах, так как не успевает переходить из открытого состояния в закрытое. Реагирует на внешниепомехи, вызывающие ложное срабатывание.

Следует также упомянуть о особенностях монтажа симисторов в современной электронной техники.

При малых нагрузках или если в ней протекают короткие импульсные токи, монтаж симисторов можно осуществлять без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях – его наличие строго обязательно.
К теплоотводу тиристор может фиксироваться крепежным зажимом или винтом
Для снижения вероятности ложного срабатывания из-за шумов, длина проводов должна быть минимальна. Для подсоединения рекомендуется использовать экранированный кабель или витую пару.

Или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень и надежности конструкции.

Силовые ключи . Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность, которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется, т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Принцип работы и свойства динистора, схемы на динисторах

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

8 января 2013 в 19:23
  • Электроника для начинающих

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор - это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием - не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод - это контакт с внешним p-слоем, катод - с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы



Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области - эмиттерными, а центральный переход - коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.


К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать - режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения - это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение - это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение - это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток - это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток - ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току - увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор - не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

тиристор

Проведем некоторые эксперименты, позволяющие понять работу тринистора и особенности управления. Возмем тринистор КУ201, миниатюрную лампу накаливания на 24В, источник постоянного напряжения на 18...24В при токе нагрузке 0,15...0,17А и источником переменного напряжения 12...14В.

 

Как открыть тринистор

 

Как открыть тринистор

Движок переменного резистора установим в нижнее по схеме (максимальное сопротивление) положение и подключим каскад на тринисторе к источнику постоянного тока. Нажав на кнопку, будем плавно перемещать движок переменного резистора вверх по схеме (до минимального сопротивления) до тех пор пока не зажжется лампочка. Это укажет на то, что тринистор открылся. При этом кнопку можно будет отпустить, лампа будет продолжать светить.
Чтобы закрыть тринистор и привести его в закрытое состояние, достаточно на мгновение отключить источник питания. Лампа погаснет. Если нажать на кнопку вновь, тринистор снова откроется и лампа зажжется. Погасить можно и другим способом - при отпущенной кнопке замкнуть куском проволоки или пинцетом выводы анода и катода.
Чтобы измерить открывающий ток тринистора, необходимо включить в разрыв цепи управляющего электрода (в точке А) миллиамперметр и, плавно перемещая движок переменного резистора из нижнего (максимального значения) положения в верхнее (минимальное значение), дождать момента загорания лампочки. Таким образом стрелка или табло миллиамперметра зафиксирует искомое значение тока открытия.
Подобным образом можно узнать и ток удержания тринистора. В этом случае необходимо включить миллиамперметр в разрыв цепи в точке Б, а последовательно с ним добавить переменный резистор номиналом 2,2...3,3кОм. При этом пере5д началом необходимо вывести сопротивление резистора до нуля. Плавно увеличивая сопротивление резистора, дождать пока значение милииамперметра не упадет скачком до нуля. Предшествующее этому моменту показание миллиамперметра и будет минимальным значением тока удержания тринистора.

 

Как тринистор управляется импульсом

 

Управление импульсом

Соберем схему, показанную на рисунке. Теперь на управляющий электрод постоянное напряжение не подается, но тиристор по-прежнему управляем. Подадим на каскад питание и нажмем кнопку. Мгновенно зарядится конденсатор, и его ток заряда в виде импульса пройдет через резистор и управляющий электрод. Времени зарядки будет достаточно, что тринистор успел открыться. Лампа останется гореть. А конденсатор разрядится через резисторы и будет готов к следующему пропуску импульса.
Теперь возьмем оксидный конденсатор не менее 100мкФ и на мгновение подключим его к выводам анода и катода. Через оксидный конденсатор пройдет импульс зарядного тока, тринистор в момент протекания зарядного тока окажется зашунтирован и закроется.

 

Тринистор как регулятор мощности

Способности тринистора открываться при разном анодном напряжении в зависимости от тока управляющего электрода широко используются в регуляторах мощности, изменяющих средний ток, протекающий через нагрузку.

Схемы управления тиристорами. Фазосдвигающее устройство

На рис. 1 показаны простейшие экономичные схемы управления тиристорами. Наиболее простой метод включения тиристора представлен на рис. 1, а, где в качестве необходимого для включения управляющего тока используется часть тока, проходящего через тиристор. В разомкнутом состоянии контакта К тиристор не может открыться, так как на управляющий электрод не подается положительный потенциал. 

При замыкании контакта К в положительный полупериод анодного напряжения через резисторы R1 и R2 и диод Д протекает ток управления. Сила этого тока зависит от мгновенного значения анодного напряжения, которое увеличивается от нуля до максимального значения. Ток управления достигнет необходимого для включения тиристора значения при определенном угле а. Если уменьшить сопротивление реостата R2, угол управления а станет меньше, так как ток управления достигнет необходимого значения при меньшем анодном напряжении. 

При полностью введенном реостате R угол управления а достигнет максимального значения, которое не может превысить 90°, так как максимальное анодное напряжение обеспечивает максимальный ток управления. Приведенная схема может работать на постоянном токе. 

Тиристор может открыться при подаче на анод положительного полюса напряжения. Реостатом R2 устанавливается ток управления необходимой силы. Однако для закрывания тиристора необходимо шунтировать перемычкой или прервать цепь анодного тока.

Схема, приведенная на рис. 1, б, работает аналогично предыдущей через резистор нагрузки Rн ток проходит в оба полупериода питающего напряжения. Для включения тиристоров необходимо замкнуть контакт К. В положительный полупериод ток управления пройдет по цепи через резистор R1, диоды Д2 и Д4; при этом откроется тиристор Т2. Тиристор Т2 закроется при анодном напряжении, равном нулю, когда ток через тиристор упадет до нуля. 

В отрицательный полупериод ток управления пройдет по цепи через резистор R2, диоды ДЗ и Д1 и откроется тиристор Т1. Реостатами R1 и R2 можно изменять действующее значение переменного напряжения на резисторе нагрузки Rн.

Недостатком предыдущих схем управления можно считать узкий диапазон регулирования угла а (от 0 до 90°). Введением в схему регулирования неактивных элементов (емкостей и индуктивностей) можно расширить диапазон изменения угла а. В схеме, представленной на рис. 1, в, комбинация RС цепи и диода позволяет получить угол управления в интервале 0 - 180°. 

Во время положительного полупериода анодного напряжения конденсатор С заряжается; когда напряжение на нем, приложенное между управляющим электродом и катодом тиристора Т, достигнет необходимого значения, тиристор откроется. Временем заряда конденсатора С определяется угол а. Это время можно изменять, меняя сопротивление реостата R2: чем больше сопротивление реостата R2, тем больше угол а и меньше среднее напряжение на резисторе Rн

При переходе питающего напряжения через нуль тиристор закрывается. В отрицательный полупериод конденсатор С перезаряжается через диод Д2 до амплитуды отрицательного напряжения. В следующий положительный полупериод происходит перезаряд конденсатора и тиристор открывается.

Рис. 1. Простейшие схемы управления тиристорами

На рис. 1, г, д показаны схемы управления с насыщающимися дросселями, работающими в релейном режиме. В каждый положительный полупериод питающего напряжения по рабочей обмотке дросселя протекает пульсирующий ток. Индуктивное сопротивление рабочей обмотки зависит от магнитного состояния сердечника дросселя. В отсутствие сигнала на обмотке постоянного тока с указанной полярностью сердечник дросселя насыщается, индуктивное сопротивление рабочей обмотки уменьшается до нуля и входная цепь тиристора шунтируется. Таким образом, в отсутствие сигнала управления тиристор не может быть открыт. При подаче сигнала на обмотку управления (см. рис. 1, г) дроссель переводится в ненасыщенное состояние, так как обмотки включены встречно.

Переход дросселя из одного состояния в другое происходит практически мгновенно, что объясняется прямой петлей гистерезиса сердечника дросселя. 

В ненасыщенном состоянии индуктивное сопротивление рабочей обмотки увеличивается до максимального значения и ток во время положительного полупериода через резисторы R1 и R2 и диод Д поступает к управляющему электроду тиристора и включает его. Пока есть сигнал на управляющей обмотке, тиристор открывается в каждый положительный полупериод. Конденсат С предотвращает ложное срабатывание тиристора при переходных процессах в цепи переменного тока, шунтируя тиристор в момент всплеска напряжения.

В схеме, приведенной на рис. 1, д, рабочая обмотка дросселя Др включена последовательно в цепь управления тиристора. При наличии сигнала сердечник дросселя насыщен, так как обмотки управления и рабочая обмотка действуют согласно. Заряженный конденсатор С разряжается на входную цепь тиристора, и он открывается. В отрицательный полупериод тиристор закрыт, конденсатор заряжен. В положительный полупериод конденсатор снова заряжается и открывает тиристор. В отсутствие сигнала на обмотке управления сердечник дросселя не насыщен, в положительный полупериод конденсатор заряжается. Резистор R2 ограничивает напряжение входной цепи тиристора до значения, при котором тиристор не может открыться. Схемы на рис. 1, г, д могут использоваться как ключевые без регулирования выпрямленного напряжения.

В схеме управления (рис. 1, е) используется маломощный динистор Д, который включается при определенном напряжении между анодом и катодом. В положительный полупериод конденсатор С заряжается, причем время заряда можно регулировать реостатом R2. Когда напряжение на конденсаторе достигнет уровня включения динистора Д, конденсатор разрядится на первичную обмотку трансформатора Тр, на вторичной обмотке возникает импульс, и тиристор Т откроется. В отрицательный полупериод тиристор закрыт, конденсатор С перезаряжается. В следующий положительный полупериод конденсатор снова перезаряжается и открывает тиристор.

Приведенные простейшие схемы не лишены недостатков, связанных с зависимостью параметров от изменения температуры, небольшой скоростью нарастания тока управления и т. п. Для управления в преобразовательных устройствах применяются более сложные специальные схемы.

Фазосдвигающее устройство (ФСУ)

Это устройство является главным функциональным звеном любой системы управления, так как тиристорные схемы построены по принципу фазового управления. В зависимости от способа получения сдвига управляющих импульсов различают системы управления, построенные по «горизонтальному» и «вертикальному» принципам.

При «горизонтальном» принципе управления сдвиг входного сигнала обычно синусоиды напряжения входной сети для выпрямителей, осуществляется во времени по оси абсцисс (по горизонтали), а затем из сдвинутой синусоиды формируются прямоугольные импульсы. Простейшая схема с горизонтальным управлением показана на рис. 2. Входной сигнал подается на первичную обмотку трансформатора Тр

Это же напряжение является анодным для тиристора. Вторичная обмотка трансформатора разделена на два ппеча. На концах вторичной обмотки ае возникает переменное напряжение, которое представляет собой сумму напряжений между точками аd и dе. Эти напряжения могут быть изображены соответствующими векторами. Вторичное напряжение ае представляет собой геометрическую сумму падений напряжения на емкости С (вектор аb) и на резисторе R (вектор bе). 

Выходное напряжение представлено вектором db. При изменении сопротивления резистора R изменяются активное падение напряжения (вектор bе), ток во вторичной цепи и, следовательно, емкостное падение напряжения. Векторы емкостного аb и активного bе падений напряжения должны оставаться перпендикулярными и их сумма (вектор ае) - неизменной. 

Из векторной диаграммы видно, что при изменении сопротивления резистора R вектор db поворачивается и, следовательно, выходное напряжение Uвых сдвигается по фазе относительно входного напряжения Uвх.

Рис. 2. Сдвиг управляющего сигнала по «горизонтальному» принципу

При «вертикальном» принципе управления постоянное напряжение управления сравнивается с опорным переменным напряжением.

При этом постоянное напряжение управляющего сигнала Uс, которое регулируется с поста управления или автоматически устанавливается при изменении регулируемых параметров (напряжения генератора), сравнивается с эталонным переменным напряжением Uэ, имеющим неизменную амплитуду. В момент равенства этих напряжений формируется импульс для открывания тиристора.

На рис. 3, а представлена схема генератора импульсов для управления тиристором возбудителя синхронного генератора в схеме ГЭУ дизель-электрохода. 

Рис. 3. Принципиальная схема генератора импульсов и диаграмма напряжений

Данная ГЭУ имеет единую электростанцию, состоящую из трех дизель-генераторов, от которой питается ГЭД и через трансформаторы — потребители собственных нужд, поэтому назначение тиристорного возбудителя сводится к поддержанию постоянства напряжения на шинах или к его изменению при необходимости.

Управляющее напряжение Uс вырабатывается регулятором напряжения. Эталонное напряжение Uэ имеет синусоидальную форму и неизменную амплитуду Uм.

Напряжение сигнала может изменяться в пределах от - Uм до + Uм. Сложение переменного Uэ и постоянного Uс напряжений происходит на резисторах R1 и R2, которыми можно регулировать входное напряжение транзистора Т1. При отсутствии сигнала управления Uс = 0 (напряжение генератора в норме) синусоида эталонного напряжения Uэ изменяется относительно оси t и проходит через нуль при угле а = 90° (рис. 3, б). Если считать, что положительное значение Uэ соответствует плюсу на базе транзистора Т1, то транзистор откроется при переходе кривой Uэ через нуль. 

Пока транзистор Т1 закрыт, отрицательным потенциалом его коллектора поддерживается открытое состояние транзистора Т2, и конденсатор С разряжен через диоды ДЗ, Д2 и открытый коллекторный переход транзистора Т2. В момент открывания транзистора Т1 потенциал базы транзистора Т2 становится положительным, и последний закрывается. 

При переходе транзистора Т2 из открытого состояния в закрытое потенциал его коллектора изменяется с положительного на отрицательный, что приводит к заряду конденсатора С. 

Зарядный ток проходит через диоды Д5 и Д4 и является током базы транзистора Тз, открывающего последний. В открытом состоянии транзистора ТЗ на резисторе R9 возникает напряжение, которое прикладывается между управляющим электродом и катодом тиристора возбудителя. Время существования импульса на выходе равно времени заряда конденсатора, которое зависит от емкости конденсатора и силы тока заряда. 

Если напряжение на тиристоре Uт сдвинуто относительно эталонного на 90°, как изображено на диаграмме, то передний фронт импульса возникнет при угле а = 90° и тиристор будет открыт в течение половины положительного полупериода, что соответствует номинальному возбуждению генератора. Тиристор будет закрыт весь отрицательный полупериод напряжения Uт и часть положительного. В начале положительного полупериода напряжения Uэ транзистор Т1 закроется, а Т2 откроется, конденсатор С разрядится и будет готов для нового импульса.

При уменьшении напряжения генератора возникает напряжение (сигнал), приложенное минусом к базе Т1 (на диаграмме — Uс). При сложении напряжений на входе транзистора Т1 синусоида напряжения Uэ будет изменяться относительно оси и угол открывания тиристора уменьшится до значения а1, а среднее значение выпрямленного напряжения и возбуждение генератора увеличатся. При увеличении напряжения генератора выше нормы возникает напряжение, приложенное плюсом к базе Т2 (на диаграмме +Uс). Теперь синусоида Uэ будет изменяться относительно оси t2 и угол включения увеличится до значения а2

Среднее выпрямленное напряжение и возбуждение генератора уменьшатся.

По вертикальному принципу построена схема управления тиристором, приведенная на рис. 4, где используется импульсный трансформатор ТрИ, работающий совместно с транзистором Т1 в режиме блокинг-генератора. Входное напряжение транзистора создается суммой постоянного напряжения сигнала и переменного эталонного напряжения Uэ с неизменной амплитудой.

Транзистор Т1 открывается при возникновении на базе отрицательного потенциала, когда кривая Uэ переходит через нуль в зону отрицательных значений (см. рис. 3, б), По мере открывания транзистора нарастает ток в цепи коллектора, проходящий через первичную обмотку импульсного трансформатора; при этом в базовой обмотке трансформатора наводится э. д. с., которая прикладывается плюсом к эмиттеру и осуществляет положительную обратную связь, что способствует дальнейшему открыванию транзистора. Ток в первичной обмотке трансформатора нарастает лавинообразно, и в выходной обмотке ТрИ возникает э.д.с., которая через диод Д2 и резистор R1 создает импульс управления тиристором: тиристор открывается.

Рис. 4. Формирователь импульсов с блокинг-генератором

В насыщенном состоянии транзистора ток коллектора достигает максимального значения и перестает изменяться, импульс исчезает. Э.д.с. в базовой обмотке равна нулю, положительная обратная связь не работает, и ток коллектора начинает уменьшаться. Уменьшение тока коллектора наводит в базовой обмотке э.д.с. другого направления, которая осуществляет отрицательную обратную связь и способствует закрыванию транзистора. Одновременно в выходной обмотке наводится э. д. с. другого направления, которая создает ток в разрядном контуре через диод Д1. 

В коллекторной обмотке импульсного трансформатора спад тока наводит э.д.с. самоиндукции, которая, поддерживая направление тока, препятствует запиранию транзистора, так как прикладывается плюсом к эмиттеру. Эта э.д.с. создает шунтирующую цепь через стабилитрон Ст. После закрывания транзистора, если на базе снова возникнет отрицательный потенциал, процесс повторяется и выдается следующий импульс.

Таким образом, импульсы подаются в течение всего отрицательного полупериода входного напряжения транзистора. Тиристор может быть открыт первым импульсом, и последующие импульсы его открытого состояния не меняют. Сдвиг по фазе момента подачи импульсов зависит от значения и полярности постоянного напряжения сигнала Uс, которое вырабатывается регулятором напряжения генератора или ГЭД.

⇓ДОБАВИТЬ В ЗАКЛАДКИ⇓

⇒ВНИМАНИЕ⇐

  • Материал на блоге⇒ Весь материал предоставляется исключительно в ознакомительных целях! При распространении материала используйте пожалуйста ссылку на наш блог!
  • Ошибки⇒ Если вы обнаружили ошибки в статье, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье. Мы будем очень признательны!
  • Файлообменники⇒ Если Вам не удалось скачать материал по причине нерабочих ссылок или отсутствующих файлов на файлообменниках, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье.
  • Правообладателям⇒ Администрация блога отрицательно относится к нарушению авторских прав на www.electroengineer.ru. Поэтому, если Вы являетесь правообладателем исключительных прав на любой материал, предоставленный на ресурсе, то сообщите нам через контакты и мы моментально примем все действия для удаления Вашего материала.

⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓

Управление двигателем постоянного тока с помощью тиристора

Тиристоры - это полупроводниковые устройства, предназначенные для коммутации высокой мощности. Как и тиристоры, транзисторы также используются в качестве переключающих устройств. Транзисторы - это крошечный электронный компонент, который изменил мир, мы можем найти их в каждом устройстве, таком как телевизоры, мобильные телефоны, ноутбуки, калькуляторы, наушники и т. Д. Транзисторы адаптируемы и универсальны, мы можем использовать их в качестве усилительного и переключающего устройства, но они не могут работать с более высокими Текущий. Основное различие между транзистором и тиристором - . Транзистору требуется непрерывное переключение питания, чтобы оставаться включенным, но в случае тиристора нам нужно запустить его только один раз, и он остается включенным.Для таких приложений, как цепь аварийной сигнализации, которая должна сработать один раз и оставаться включенной навсегда, мы не можем использовать транзистор. Итак, чтобы преодолеть эти проблемы, мы используем тиристор .

Тиристор работает только в коммутационном режиме. Тиристор может использоваться для управления большими токами постоянного тока и нагрузками. Тиристор ведет себя как Electronic Latch при использовании в качестве переключателя, потому что при срабатывании один раз он остается в состоянии проводимости до тех пор, пока не будет сброшен вручную. В этом проекте мы покажем вам , как управлять нагрузкой или двигателем постоянного тока с помощью тиристора .Вы можете заменить двигатель постоянного тока любой другой нагрузкой постоянного тока и управлять любой цепью постоянного тока.

Необходимые материалы
  • Источник постоянного тока 9 В
  • Тиристор - TYN612
  • Двигатель постоянного тока (в качестве нагрузки постоянного тока)
  • Резистор (510, 1кОм)
  • Переключатель
  • Кнопка
  • Соединительные провода

Принципиальная схема

Переключатель S1 в цепи используется для сброса цепи или выключения тиристора.Кнопка S2 Push используется для запуска тиристора путем подачи через него импульса затвора. Положение переключателя S1 можно заменить нормально разомкнутым переключателем на тиристоре.

Тиристор - TYN612

Здесь, в названии Thyristor TYN612 , «6» указывает значение повторяющегося пикового напряжения в закрытом состоянии, V DRM и V RRM составляет 600 В, а «12» указывает значение RMS во включенном состоянии. ток, I Тл (RMS) составляет 12 А.Тиристор TYN612 подходит для всех режимов управления, таких как защита от перенапряжения, цепь управления двигателем, цепи ограничения пускового тока, цепи зажигания емкостного разряда и цепи регулирования напряжения. Диапазон срабатывающего тока затвора (I GT ) составляет от 5 мА до 15 мА. Диапазон рабочих температур от -40 до 125 ° C.

Распиновка и схема тиристора TYN612

Конфигурация выводов тиристора TYN612

Контакт NO.

Имя контакта

Описание

1

К

Катод тиристора

2

А

Анод тиристора

3

G

Затвор тиристора, используемый для запуска

Управление двигателем постоянного тока с помощью тиристорной цепи

Первоначально переключатель S1 и S2 остается в нормально замкнутом и нормально разомкнутом состоянии соответственно.При включении питания тиристоры остаются смещенными в обратном направлении до тех пор, пока не будет подан импульс затвора. Для обеспечения стробирующего импульса мы должны использовать кнопку S2. Когда переключатель S2 замыкается, SCR включается и фиксируется, даже когда мы отпускаем кнопку S2.

Когда тиристор самоблокируется в состояние ВКЛ, единственный способ остановить тиристор от проводимости - это отключить подачу питания. Для этого мы используем переключатель S1, который отключает питание схемы, и тиристор сбрасывается или выключается.

Сопротивление R1 используется для обеспечения достаточного тока затвора для включения тиристора.Сопротивление R2 используется для уменьшения чувствительности затвора и увеличения способности dv / dt. Таким образом, это предотвращает ложное срабатывание тиристора. Узнайте больше о тиристоре и способах его запуска здесь.

Однофазный тиристорный выпрямитель

| Plexim

Принцип работы

Однофазный тиристорный выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное на выходе. Поток мощности является двунаправленным между стороной переменного и постоянного тока. Работа схемы зависит от состояния источника переменного тока и угла зажигания α двухимпульсного генератора.Индуктивность источника L с для простоты не учитывается.

  • α = 0 °: Когда угол включения тиристоров равен нулю, данная схема сводится к диодному выпрямителю с индуктивной нагрузкой.
  • 0 ° <α <90 °: Угол зажигания больше нуля означает, что тиристор также будет нести положительное запирающее напряжение. Это приводит к отрицательным напряжениям постоянного тока, а также к меньшему среднему напряжению нагрузки, равному В, нагрузка = 0,9 · В с, среднеквадратичное значение · cos (α).
  • 90 ° <α <180 °: Схема находится в режиме инвертора, и мощность течет со стороны постоянного тока на сторону переменного тока.

Влияние индуктора источника L

с и напряжения нагрузки В нагрузка
  • Как и в случае однофазного диодного выпрямителя, индуктивность источника L с больше нуля приводит к интервалу коммутации тока между парами тиристоров T 1 / T 2 и T 3 / T 4 . Этот интервал увеличивает угол включения тиристора α и приводит к дальнейшему снижению среднего напряжения нагрузки.
  • При увеличении напряжения нагрузки ток через дроссель уменьшается. Как и в случае преобразователей постоянного тока в постоянный, в установившемся режиме считается, что схема работает в режиме прерывистой проводимости, если ток через L d достигает нуля, и в режиме непрерывной проводимости, если ток никогда не достигает нуля.

Эксперименты

  • Установите индуктивность сетки и угол включения тиристора α равными нулю и запустите стационарный анализ. Убедитесь, что результаты в точности соответствуют результатам, полученным для диодного выпрямителя с индуктивной нагрузкой и индуктивностью источника L с = 0 H.
  • Установите L d = 100 мкГн, α = 45 ° и V нагрузка = 150 В. Посмотрите, как ток нагрузки достигает нуля во время установившегося режима работы - преобразователь теперь работает в режиме прерывистой проводимости.
  • Убедитесь, что при увеличении углов зажигания α> 45 ° и индуктивности источника L с > 100 мкГн выходное напряжение снижается.

Электродвижущие силы

Работа симистора

Январь 2003 г.

Симистор (более известный как двунаправленный триодный тиристор) представляет собой электронный переключатель и является своего рода электронным эквивалентом реле / ​​контактора.Но вместо катушки, которая находится под напряжением, симистор имеет затвор, который запускается током, чтобы симистор проводил и включал нагрузку. В отличие от реле или контактора, симистор не имеет движущихся частей. Таким образом, здесь нет контактов, которые могут заедать и гореть, нет дребезга контактов, искрения и абсолютно никакого шума.

Подобно транзисторам симисторы представляют собой три оконечных устройства. Они даже упакованы аналогично (ТО-92, ТО-220 и т. Д.). Но в отличие от транзистора симистор - это не усилитель, а просто полупроводниковый переключатель.У него всего два состояния: проводящее и непроводящее.

Симистор может проводить в обоих направлениях. Следовательно, он может переключать переменный ток. Его кузен, кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), похож на пол симистора, потому что он проводит только в одном направлении. На SCR две клеммы, к которым подключена нагрузка, называются катодом и анодом. Поскольку симистор работает в двух направлениях, вызывать контакты катода и анода было бы бессмысленно. Поэтому они известны как MT1 (главный терминал 1) и MT2 (главный терминал 2).Терминал, на который подается сигнал, заставляющий МТ1 - МТ2 проводить, известен как вентиль.

Помимо номинального тока, каждый симистор имеет определенное напряжение переключения. При открытом затворе это минимальное напряжение между MT1 и MT2, при котором симистор начинает проводить ток, действуя как замкнутый переключатель. Обычно мы не подвергаем симистор размыкающему напряжению. Скорее, чтобы включить симистор, мы пропускаем небольшой ток (<100 мА) через затвор к MT1 или от MT1 к затвору. Следовательно, при выборе симистора мы выбираем тот, у которого номинальное напряжение отключения выше пикового (не среднеквадратичного!) Напряжения нашей линии переменного тока.Пиковое напряжение сети 240 В переменного тока составляет 340 В, поэтому подойдет имеющийся в продаже симистор с напряжением переключения 400 В. Выбор устройства с еще более высоким номинальным напряжением переключения, скажем 600 В, будет прекрасным и обеспечит больший запас, хотя такое устройство будет стоить дороже.

Наиболее важным аспектом работы симистора является запуск затвора. Есть несколько способов включения симистора. Но как только симистор проводит ток затвора, его можно удалить. Симистор будет продолжать работать до конца определенного полупериода.Если мы переключаем переменный ток, симистор естественным образом переходит в непроводящее состояние в течение половины цикла после снятия тока затвора. Если, однако, мы используем симистор для переключения постоянного тока, удаление триггера затвора приведет к выключению симистора , а не . Как и в режиме SCR, необходимы другие способы его отключения. Это означает, что когда мы снимаем триггер затвора с симистора, мы технически не выключаем симистор. Скорее, симистор фактически отключается, когда переменный ток пересекает нулевую точку. Когда ток, проходящий через симистор, падает ниже тока удержания, симистор переходит в непроводящее состояние.Чтобы симистор постоянно проводил ток, мы должны запускать затвор каждые полупериод. Или мы можем подать на ворота непрерывный сигнал постоянного тока. В любом случае симистор будет продолжать работать постоянно.

При срабатывании симистора необходимо учитывать, в каких квадрантах симистор будет работать (см. Диаграмму ниже). Если симисторы для вас впервые, диаграмма может показаться сложной. К этим квадрантам нужно немного привыкнуть. Просто помните, что они связаны с тригонометрическими квадрантами математики, но не являются ими.Вместо этого квадранты относятся к четырем комбинациям поляритов , тока затвора и MT2 по отношению к MT1. Ось x обозначает полярность затвора, а ось y обозначает полярность MT2. Все полярности относятся к MT1. Поскольку полярности затвора и MT2 не зависят друг от друга и могут быть положительными или отрицательными по отношению к MT1, у нас есть четыре возможных комбинации. Обозначим квадрантом 1 ситуацию, когда и вентиль, и MT2 положительны. Когда вентиль отрицательный, а MT2 положительный, мы называем эту операцию квадранта 2.Когда и вентиль, и MT2 отрицательны по отношению к MT1, это называется операцией квадранта 3. И, наконец, когда затвор положительный, когда MT2 отрицательный, мы работаем с симистором в режиме четвертого квадранта.

Важно помнить, что симистор не обязательно должен работать во всех четырех квадрантах. Также симистор не проходит через все четыре квадранта за каждый цикл переменного тока. Фактически для данной схемы симистор обычно работает только в двух квадрантах. А работа в 2-х квадрантах - это абсолютный минимум, поскольку мы работаем с переменным током, и поэтому MT2 будет положительным в течение одного полупериода, а затем отрицательным по отношению к MT1 в следующем полупериоде.Например, когда симистор запускается непрерывным сигналом постоянного тока, симистор будет работать либо в квадрантах 1 и 4, либо в квадрантах 2 и 3. Это связано с тем, что ток затвора всегда будет положительным по отношению к MT1 (Q 1 & 4) или всегда отрицательный (Q 2 и 3).

При использовании симисторных оптопар в качестве пускового устройства симистор запускается переменным положительным и отрицательным токами (см. Схему оптопары в разделе Твердотельные реле). Это называется «синфазным запуском», поскольку полярность затвора относительно MT1 всегда соответствует полярности MT2 относительно полярности.MT1. Следовательно, симистор работает в квадрантах 1 и 3.

При непрерывном запуске по постоянному току напряжение затвора по отношению к MT1 всегда будет положительным или всегда отрицательным. Если положительный, симистор будет работать в квадрантах 1 и 4. Если напряжение затвора на MT1 всегда отрицательное, то симистор будет работать в квадрантах 2 и 3. Другими словами, когда затвор получает ток (ток запуска всегда течет от затвора к MT1), тогда симистор работает в квадрантах 1 и 4. Когда затвор пропускает ток (ток течет более положительным MT1 к затвору), тогда симистор работает в квадрантах 2 и 3.

Мы можем разработать схему для запуска симистора с положительным или отрицательным постоянным током затвора. На схемах ниже показано, как транзисторы NPN и PNP могут запускать симистор. Когда переключатель замкнут, транзистор включается и пропускает ток, чтобы запустить симистор. Поскольку затвор в любой конфигурации всегда положительный по отношению к MT1, симистор в обеих цепях будет работать в квадрантах 1 и 4.

Поскольку симисторы требуют значительно большего тока затвора для работы в квадранте 4, лучше всего использовать симистор только в квадрантах 1, 2 и 3.Этого легко добиться, сделав положительную сторону источника постоянного тока общей ветвью для источников постоянного и переменного тока и привязав к нему MT1. Чистый эффект состоит в том, что затвор симистора будет потреблять ток, чтобы запустить симистор, а не получать его - в обратном порядке по сравнению с предыдущими схемами. Это означает, что симистор будет работать в квадрантах 2 и 3. На схемах ниже показано, как этого можно достичь с помощью транзисторов.

Конечно, в реальной схеме указанные выше ручные переключатели были бы заменены электронными, например, логическими вентилями.

Артикул:
  • Определение диаграммы квадрантов взято из таблицы данных симистора Teccor Electronics, Inc.
  • Motorola Thyristor Data , 2-е издание, 1988 г., Motorola Inc.

Тиристорное управление электродвигателями

В этой статье мы обсудим: - 1. Введение в тиристорное управление электродвигателями 2. Тиристорное управление двигателями серии постоянного тока 3. Тиристорное управление трехфазными асинхронными двигателями 4. Тиристорное управление трехфазным синхронным двигателем 5.Особенности 6. Преимущества и недостатки.

Введение в тиристорное управление электродвигателями :

Электродвигатели используются в очень большом диапазоне мощностей, от нескольких ватт до тысяч киловатт. Многие приложения требуют очень точной регулировки положения (как в робототехнике). Во многих приложениях главное внимание уделяется оптимальной производительности и эффективности. Системы частотно-регулируемого привода (VSD) помогают оптимизировать процесс, чтобы снизить инвестиционные затраты, эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание.Энергосбережение - еще одно большое преимущество приводов с регулируемой скоростью.

Появление тиристоров, способных работать с большими токами, произвело революцию в области управления электроэнергией. Тиратроны, игнитроны, ртутно-дуговые выпрямители, мотор-генераторы с магнитными усилителями были заменены твердотельными схемами с полупроводниковыми диодами и тиристорами. Приводы с тиристорным управлением, в которых используются двигатели постоянного и переменного тока, находят широкое применение в промышленности в качестве приводов с регулируемой скоростью.

В 1960-х годах мощность переменного тока использовалась для преобразования в мощность постоянного тока для прямого управления приводными двигателями с помощью твердотельных устройств (мощные кремниевые диоды и кремниевые выпрямители).Первоначально насыщаемые реакторы использовались вместе с кремниевыми выпрямителями высокой мощности для приводов постоянного тока. В настоящее время тиристоры широко используются для преобразования переменного тока в постоянный.

Общая конфигурация моторного привода:

На рисунке 3.2 показана блок-схема, иллюстрирующая управление моторным приводом. Основными составляющими являются силовой электронный преобразователь, двигатель, процессы, управляющий компьютер и контроллер.

Требуемые характеристики моторного привода определяются технологическим процессом.Для этого процесса может потребоваться привод с регулируемой скоростью или сервопривод и т. Д. Двигатель выбирается на основе этих требований. Силовой электронный преобразователь преобразует однофазный или трехфазный переменный ток в источник питания, обеспечивающий желаемые характеристики двигателя. Компьютер управления процессом получает обратную связь от процесса в отношении степени выполнения требований. Эта обратная связь может относиться к скорости, положению и т. Д.

Компьютер подает сигнал об ошибке на контроллер, который, в свою очередь, выполняет корректирующие действия.Корректирующим действием может быть, например, изменение угла включения тиристоров силового электронного преобразователя. В некоторых ситуациях первостепенное значение имеют точность и время отклика двигателя для настройки новой скорости. В некоторых других ситуациях требования могут быть не столь критичными.

Тиристорное управление двигателями серии постоянного тока :

1. Полностью управляемый выпрямитель :

На рисунке 3.32 (a) показана принципиальная схема двигателя постоянного тока, питаемого от однофазной сети переменного тока через полностью управляемый выпрямитель.Якорь двигателя и обмотки возбуждения имеют как сопротивление, так и индуктивность. Поскольку выходной ток выпрямителя не является идеальным постоянным током, роль индуктивности также играет роль. R - сопротивление якоря, включая сопротивление поля, а L - индуктивность якоря, включая индуктивность поля. Во время положительного полупериода тиристоры TH 1 и TH 2 смещены в прямом направлении и начинают проводить ток при ωt = α. Ток нагрузки протекает через TH 1 , двигатель и TH 2 . При ωt = π напряжения питания меняются на противоположные.

Из-за индуктивности L тиристоры TH 1 и TH 2 продолжают проводить ток за пределами ωt = π. От ωt = π + α до ωt = 2π тиристоры TH 3 и TH 4 смещены в прямом направлении. Когда TH 3 и TH 4 запускаются при ωt = π + α, тиристоры TH 1 и TH 2 подвергаются обратному смещению и выключаются путем естественной коммутации. Ток нагрузки передается с TH 1 и TH 2 на TH 3 и TH 4 .Этот режим работы продолжается до тех пор, пока TH 1 и TH 2 не будут запущены в следующем положительном полупериоде.

Рабочие квадранты и формы волн показаны на рис. 3.32 (б) и 3.32 (в). Если индуктивность L достаточно велика, ток двигателя более или менее постоянен. Значение α должно быть таким, чтобы при срабатывании тиристоров мгновенное значение входного переменного напряжения V max sin ωt было больше, чем противоэдс E b . Это устанавливает нижний предел угла зажигания α.

Среднее выходное напряжение преобразователя,

Для постоянного тока двигателя I a , мы можем написать -

Поскольку ток возбуждения также равен I a , обратная ЭДС E b может быть записана как K 1 I a N, где K 1 - постоянная. Записывая E b как K 1 I a N, мы пренебрегли остаточным магнетизмом в двигателе.

Подставляя значение I на из уравнения.(3.54) в уравнении. (3.55) имеем -

Используя приведенную выше формулу. (3.56) характеристики скорость-крутящий момент для различных значений a могут быть построены, как показано на рис. 3.32 (d).

2. Полууправляемый выпрямитель :

Двигатель постоянного тока, питаемый от однофазной сети переменного тока через полууправляемый выпрямитель, показан на рис. 3.33 (а). Выпрямитель имеет два тиристора TH 1 и TH 2 и два диода D 1 и D 2 .Облегченный диод D FW помогает проводить ток, когда тиристор не проводит. R - сопротивление якоря и возбуждения, L - индуктивность обмоток якоря и возбуждения.

Во время положительного полупериода тиристор TH 1 срабатывает при ωt = α и начинает проводить. Значение α должно быть таким, чтобы V max sin α> E b . Ток протекает через TH 1 , двигатель и диод D 1 от ωt = α до ωt = π.При ωt = π входное напряжение становится отрицательным, и обратный диод D FW смещен в прямом направлении. Таким образом, при ωt = π тиристор TH 1 и диод D 1 перестают проводить ток, и ток передается на D FW .

Во время отрицательного полупериода тиристор TH 2 смещен в прямом направлении, и когда он срабатывает при ωt = π + α, диод свободного хода D FW перестает проводить, и ток передается на комбинацию TH 2 - D 2 .TH 2 и D 2 проводят от ωt = π + α до ωt = 2π. При ωt = 2π тиристор TH 2 и диод D 2 отключаются, и ток через D FW набегает от ωt = 2π до ωt = 2π + α. При ωt = 2π + α тиристор TH 1 снова запускается и начинается следующий цикл работы. Таким образом, работа схемы: D FW , работает для 0 ≤ ωt ≤ α; TH 1 и D 1 проводят для α ≤ ωt ≤ π; D FW проводит для π ≤ ω t ≤ π + α; и TH 2 и D 2 проводят для π + α ≤ ωt ≤ 2π.

Квадрант работы и формы волны показаны на рис. 3.33 (b) и 3.33 (c) соответственно.

Среднее выходное напряжение полупреобразователя -

.

Обратную ЭДС E b можно записать как K 1 I a N без учета остаточного магнетизма -

Подставив значение I на из уравнения. (3.57) в приведенном выше уравнении, мы имеем -

Используя приведенную выше формулу.(3.58) характеристики скорость-момент для различных значений α нанесены на график, как показано на рис. 3.33 (d).

Во время работы двигателей постоянного тока с раздельным возбуждением и двигателей постоянного тока наблюдается, что область прерывистого тока меньше в случае двигателей постоянного тока. Использование полупреобразователя обеспечивает непрерывный ток почти во всем рабочем диапазоне, за исключением случаев, когда крутящий момент нагрузки очень мал. Если в цепи якоря используется индуктивность, можно получить постоянный ток якоря во всем рабочем диапазоне.

Двигатели серии

постоянного тока обычно используются для приложений с постоянной выходной мощностью. Однако характеристики «скорость-крутящий момент» не соответствуют постоянной выходной мощности для данного угла открытия и, следовательно, для получения постоянной выходной мощности во всем диапазоне скоростей угол открытия α должен быть отрегулирован. Полупонверторная система, благодаря своему свободному вращению, помогает поддерживать постоянный ток и, таким образом, обеспечивает лучшую производительность двигателей по сравнению с системой с полным преобразователем.Также было замечено, что двигатель постоянного тока с полупроводниковым преобразователем обеспечивает лучшую производительность.

Преобразователи

с фазовым управлением имеют низкий коэффициент мощности, особенно когда выходное напряжение меньше максимального, т.е. когда угол включения α большой. Полупреобразователи обеспечивают лучший коэффициент мощности по сравнению с полными преобразователями, хотя улучшение незначительно.

Тиристорное управление трехфазными асинхронными двигателями :

Скорость асинхронного двигателя определяется как -

.

Таким образом, скорость асинхронного двигателя с фиксированным числом полюсов зависит от частоты питания f и скольжения s, которые, в свою очередь, зависят от напряжения или тока, подаваемого на двигатель.

Для регулирования скорости трехфазных асинхронных двигателей с использованием тиристоров доступны следующие методы:

1. Регулировка напряжения статора или регулировка постоянной частоты переменного напряжения.

2. Регулирование переменного напряжения и частоты.

3. Контроль сопротивления ротора.

4. Контроль вторичного постороннего напряжения.

Изменение напряжения статора осуществляется с помощью регуляторов переменного тока, которые управляют среднеквадратичным значением переменного напряжения, подаваемого на двигатель, путем включения тиристоров в каждую линию питания.Мощность с переменной частотой получается с помощью циклоконвертера, который напрямую преобразует постоянную частоту переменного тока в переменную частоту, или с помощью инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный ток.

Действующее значение внешнего сопротивления, вводимого в цепь ротора, можно контролировать, подключив высокочастотный прерыватель через сопротивление и изменяя время, в течение которого прерыватель включен во время цикла. Статические преобразователи частоты используются для замены вспомогательных машин в системе Scherbius.Схема Крамера также была изменена за счет использования выпрямителя с диодным мостом вместо преобразователя ротора, но двигатель постоянного тока все еще требуется для преобразования выпрямленной мощности скольжения в механическую энергию.

Тиристорное управление трехфазным синхронным двигателем:

Синхронный двигатель - это двигатель с постоянной скоростью, который развивает крутящий момент только при синхронной скорости, которая прямо пропорциональна частоте питания. Следовательно, изменение частоты источника переменного тока - удобный метод управления скоростью синхронного двигателя.До появления силовых электронных устройств изменение частоты было очень сложной задачей.

Однако силовые электронные схемы обеспечивают простой способ изменения частоты. Переменный ток частотой 50 Гц преобразуется в постоянный с помощью управляемого выпрямителя. Инвертор переменной частоты преобразует постоянный ток в переменный ток переменной частоты. Для поддержания постоянной плотности магнитного потока в двигателе напряжение и частота должны изменяться в одном и том же соотношении, чтобы соотношение напряжение / частота было постоянным.

Рисунок 3.52 показывает систему управления скоростью синхронного двигателя. Трехфазный переменный ток частотой 50 Гц выпрямляется управляемым трехфазным выпрямителем. Фильтр удаляет гармоники с выхода выпрямителя. Преобразователь частоты подает переменный ток переменной частоты в синхронный двигатель. Таким образом, можно управлять скоростью синхронного двигателя. Постоянный ток на выходе фильтра также используется для возбуждения обмотки ротора.

В низкоскоростных приложениях с большой мощностью также можно использовать циклоконвертер для преобразования переменного тока с частотой 50 Гц в переменный ток переменной частоты.Циклоконвертер выполняет преобразование без промежуточного звена постоянного тока. Максимальная выходная частота ограничена примерно одной третью частоты, так что выходная волна имеет низкое содержание гармоник.

Инверторный привод с коммутацией нагрузки для синхронного двигателя:

Для двигателей большого размера (двигатели с выходной мощностью более 750 кВт) привод синхронного двигателя с коммутацией нагрузки становится конкурентоспособным по сравнению с приводом асинхронного двигателя в требованиях регулируемой скорости. Рисунок 3.53 показана схема инверторного привода с коммутацией нагрузки. Трехфазное питание переменного тока выпрямляется с помощью трехфазного мостового преобразователя с фазным управлением. Источник постоянного тока проходит через фильтр для улучшения формы сигнала и затем подается на инвертор с коммутацией нагрузки.

Каждая фаза синхронного двигателя представлена ​​внутренней наведенной ЭДС последовательно с индуктивностью обмотки статора. Частота и фаза токов статора синхронизированы с положением ротора. Коммутация тока в инверторе с коммутацией нагрузки для подачи токов к фазам статора в соответствующей последовательности обеспечивается ЭДС статора.Наличие трехфазной наведенной ЭДС в обмотке статора двигателя вызывает коммутацию тиристора. Регулировка угла зажигания преобразователя контролирует его выходное постоянное напряжение и, следовательно, ток.

Полная схема контроллера инверторного привода с коммутацией нагрузки показана на рис. 3.54. Входное напряжение на статоре синхронного двигателя измеряется для расчета положения поля ротора как функции времени. Измеренное напряжение выпрямляется, чтобы получить сигнал постоянного тока, пропорциональный мгновенной скорости синхронного двигателя.Время выключения T off , доступное для тиристора в инверторе, сохраняется постоянным.

текущее поле

Сохранение и Т от константы, фактическая скорость сравнивается с эталонной скоростью. Сигнал ошибки усиливается, чтобы получить ссылку l d . Если фактический ток I d меньше задания, выпрямитель увеличивает напряжение, подаваемое на инвертор, тем самым увеличивая I d и крутящий момент двигателя. Основываясь на токе I d и измеренном напряжении, на затворы тиристоров инвертора подаются импульсы зажигания, чтобы поддерживать T на уровне постоянным.

Особенности двигателей с тиристорным приводом:

Наиболее часто используемые двигатели постоянного тока для тиристорных приводов - это двигатели постоянного тока с раздельным возбуждением и двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Тиристорные приводные двигатели обычно отличаются от обычных двигателей постоянного тока по конструкции. Прежде чем обсуждать особенности тиристорных приводных двигателей, необходимо обсудить влияние тиристорного источника питания на характеристики двигателя постоянного тока.

Влияние тиристорного источника питания на характеристики двигателя постоянного тока :

1.Выходное напряжение тиристорного преобразователя состоит из постоянной составляющей и гармонической составляющей переменного тока.

2. Выходное напряжение может изменяться очень быстро по сравнению с выходным напряжением мотор-генераторной установки из-за отсутствия постоянных времени возбуждения, связанных с генератором.

3. Аномально высокое значение тока якоря может возрасти в случае выхода из строя тиристора при работе в режиме инвертора.

4. Величина гармоник уменьшается с увеличением частоты гармоники для всех преобразователей.Величина гармоник увеличивается по мере увеличения угла зажигания и уменьшения постоянного напряжения для всех двунаправленных преобразователей. Чем выше индуктивность якоря, тем меньше будут токи гармоник.

5. Крутящий момент создается постоянной составляющей тока, тогда как нагрев достигается за счет действующего (или действующего) значения тока. Коэффициент формы (отношение эффективного значения к среднему значению) для полуволновых трехфазных тиристоров можно принять равным 1,2, а для двухполупериодных трехфазных тиристоров он равен 1.1. Это увеличивает электрические потери и, следовательно, нагрев на 5–7 процентов больше для трехфазных полумостовых преобразователей, а для трехфазных полумостовых преобразователей - с 15 до 20 процентов.

6. На коммутационную способность серьезно влияет наличие гармонических токов. Пиковое значение тока увеличивается, межполюсный поток будет уменьшен по величине, и будет введена временная задержка между межполюсным током и потоком из-за вихревых токов, генерируемых на железном пути межполярного потока.

Другим влиянием тиристорного источника питания на работу двигателя является нагрев межполюсной обмотки, насыщение межполюсной магнитной цепи, напряжение трансформатора на щетках и увеличение напряжения в сегменте коммутатора.

Особенности двигателей с тиристорным приводом :

Двигатели постоянного тока с тиристорным приводом разработаны со следующими особенностями для улучшения их характеристик:

1. Тиристорные приводные двигатели постоянного тока изготавливаются с якорем большего диаметра и полюсами большего размера с уменьшенной высотой.

2. Коммутаторы увеличены, чтобы обеспечить дополнительную изоляцию, чтобы выдерживать большие и быстрые колебания напряжения.

3. Ярмо, а также основные и коммутирующие полюса ламинированы, чтобы уменьшить влияние вихревых токов.

4. Якоря с низким моментом инерции используются для улучшения отклика.

5. Компенсирующие обмотки используются в больших двигателях для уменьшения эффекта реакции якоря.

6. Разъемные щетки с хорошим коммутационным качеством используются для уменьшения влияния напряжения трансформатора на коммутируемые катушки.

7. Использование многослойного ярма вместо сплошного ярма в большей степени улучшает коммутацию.

8. Использование большого количества шин коммутатора снижает напряжение между сегментами коммутатора и улучшает коммутацию.

9. Использование восьмиугольной, а не круглой формы для рамы позволяет разместить больше материала и дает больший рейтинг для того же размера рамы.

10. Плотность тока, используемая для якоря и межполюсной обмотки, снижена по сравнению с обычными двигателями постоянного тока того же размера и номинала, чтобы уменьшить эффект нагрева якоря и межполюсников.

11. Используется лучший класс изоляции (материалы класса F в качестве стандартной изоляции), чтобы обеспечить более высокий рост температуры и отвод большего количества потерь от данной рамы.

12. Отношение дуги полюса к шагу полюса уменьшено, чтобы уменьшить отношение зоны коммутации к нейтральной зоне.

13. Увеличена индуктивность якоря для уменьшения тока пульсаций. Это также может увеличить реактивное напряжение. Число витков на катушку якоря поддерживается на минимальном уровне, поскольку реактивное напряжение пропорционально квадрату витков на катушку.Избегают использования фиктивных катушек.

14. Принудительное охлаждение вспомогательным двигателем переменного тока широко используется для улучшения охлаждения двигателя на пониженных скоростях.

15. Особое внимание необходимо уделить точному расположению щеток, полюсов и изготовлению коммутаторов.

Преимущества и недостатки тиристорного управления:

Тиристорный регулятор имеет следующие преимущества и недостатки:

Преимущества:

1.Устройство управления реагирует быстрее, поскольку устраняет запаздывание по времени, вызванное индуктивностями поля генератора и якоря.

2. Благодаря низкому падению напряжения на тиристоре эффективность системы управления высока.

3. Устройство управления меньше по размеру, легче по весу, дешевле по цене, требует меньше места и требует минимального обслуживания.

4. Простая и надежная работа.

Недостатки:

1.Из-за более высокой пульсации на выходе преобразователя возникают серьезные проблемы с нагревом двигателя и коммутацией.

2. Из-за переключающего действия тиристоров и несинусоидальности тока повышается вероятность помех в сетях связи.

Во всех системах привода с регулируемой частотой вращения силовой электронный преобразователь действует как интерфейс, который принимает электроэнергию от существующего источника и преобразует ее управляемым образом в подходящую форму, совместимую с конкретной нагрузкой или процессом, для которого она используется.Основными источниками электроэнергии являются: одно- или трехфазный переменный ток 50 Гц от инженерных сетей и постоянный ток от аккумуляторных батарей или солнечных элементов. Требуются четыре основных формы преобразования энергии: переменный ток в постоянный, постоянный в постоянный, постоянный в переменный и переменный в переменный.

Современные преобразователи компактны, дешевы, надежны, долговечны, универсальны и полностью управляемы. Они также требуют меньшего обслуживания. Они подходят для всех четырех основных форм преобразования энергии, упомянутых выше, через выпрямители (переменный / постоянный), прерыватели (постоянный / постоянный), инверторы (постоянный / переменный) и циклоконверторы или регуляторы переменного тока (переменный / переменный ток).

Для управления двигателем постоянного тока управляемая мощность постоянного тока от источника постоянного напряжения переменного тока получается с помощью управляемых выпрямителей (обычно называемых преобразователями), использующих тиристоры и диоды. Управление постоянным напряжением достигается путем изменения фазового угла, при котором тиристоры срабатывают, относительно формы волны приложенного переменного напряжения. Эта схема управления известна как фазовый контроль.

В другой системе управления, известной как интегральное управление циклом, ток пропускается от источника переменного тока в течение нескольких полных циклов, а затем гасится еще на несколько циклов, причем процесс повторяется непрерывно.Управление осуществляется путем регулировки соотношения продолжительности включения и выключения. Этот метод подходит для управления двигателями постоянного тока с малой выходной мощностью кВт.

Преобразователи

с фазовым управлением просты в эксплуатации и менее дороги, поскольку не требуют дополнительных схем для процесса коммутации. В таких преобразователях достигается естественная коммутация, т. Е. При включении входящего тиристора он немедленно смещает выходной тиристор в обратном направлении и выключает его.

Методы управления фазой и интегральным циклом также применимы для двигателей переменного тока, в которых не требуется схема преобразователя.

Управление двигателями постоянного тока, питающимися от источника постоянного тока, осуществляется с помощью схемы переключения тиристоров, называемой прерывателем. В цепях прерывателя управление средним напряжением достигается путем изменения отношения продолжительности включения и выключения, в течение которого на двигатель подается напряжение питания постоянного тока. Это обеспечивает эффективное и бесступенчатое управление двигателями постоянного тока.

Двигатель может также работать в режиме рекуперативного торможения. Вместо схем преобразователя можно использовать неуправляемый выпрямитель, который обеспечивает постоянное постоянное напряжение, за которым следует прерыватель для обеспечения переменного среднего прямого выходного напряжения.Контроллеру прерывателя требуется принудительная коммутация тиристора.

Для управления двигателями переменного тока, питающимися от источника постоянного тока, используются инверторы на базе тиристоров, транзисторов или полевых МОП-транзисторов. Такие коммутационные схемы передают энергию от источника постоянного тока к нагрузке переменного тока переменной частоты и / или переменного напряжения. Из-за операции переключения формы сигналов переменного напряжения ступенчатые, гармонические составляющие которых отфильтровываются. Поскольку источником питания обычно является переменный ток, полная схема получения мощности переменного напряжения и частоты включает использование как инвертора, так и преобразователя.

Циклоконвертер - это блок управления для обеспечения питания переменного напряжения и частоты непосредственно от источника фиксированной частоты без необходимости использования промежуточного каскада постоянного тока. Механизм управления напряжением и частотой представляет собой комбинацию механизмов, используемых в преобразователе с фазовым управлением и преобразователях с импульсной модуляцией.

Циклоконвертеры

, несмотря на привлекательность прямого преобразования переменного тока в переменный, страдают определенными недостатками, из-за которых они не стали популярными.Некоторые из этих недостатков: циклоконвертеры могут генерировать только субчастотный выходной сигнал; они производят выход с большим содержанием гармоник и имеют низкий коэффициент входной мощности. Циклоконверторы используются для тихоходных приводов и для управления линейными двигателями в высокоскоростных транспортных системах.

Выпрямители с тиристорным управлением

Зачем использовать тиристоры в выпрямителях большой мощности?

Электросети поставляют электроэнергию в виде переменного тока (переменного тока), но некоторые ключевые приложения, такие как зарядка аккумуляторных батарей электромобилей и транспортные системы легкорельсового транспорта, требуют постоянного тока (постоянного тока) для экономичной и эффективной работы.Например, стандартные системы напряжения постоянного тока Rail работают по всей Европе, номинально при 600 В, 750 В, 1500 В и 3000 В, но сеть электроснабжения обеспечивает гораздо более высокое напряжение переменного тока. Придорожное оборудование используется для преобразования переменного тока в постоянный ток электросети с помощью трансформаторов и выпрямителей. В более общем смысле, некоторым приложениям нужно будет просто обеспечить постоянный источник постоянного тока, в то время как другим может потребоваться управление, чтобы настроить выход в соответствии с колебаниями спроса. Эта потребность в управлении является основной причиной использования тиристоров в выпрямительных схемах.

Что такое управляемый выпрямитель?

Переменный ток, как следует из названия, означает, что ток течет в обоих направлениях в течение одного цикла. В своей основной форме схема однофазного выпрямителя состоит из одного, двух или четырех диодов, расположенных таким образом, чтобы ток протекал в одном направлении.

Рис. 1. Одно-, двух- и четырехдиодные выпрямительные схемы - однофазные и соответствующие формы волны.

Тиристор - это полупроводниковый прибор, который может использоваться для включения и выключения тока.При использовании в выпрямительных схемах тиристоры позволяют управлять током более точно, чем диоды, которые могут быть только включены или выключены. Тиристор может быть запущен, чтобы позволить току проходить ступенчатым образом, путем срабатывания (включения тиристора) в точное время, тем самым контролируя угол проводимости. Уровень управления, необходимый для данного приложения, будет определять, как тиристоры используются в схеме. В полууправляемых выпрямителях используются тиристоры вместо диодов на положительной или отрицательной стороне схемы, тогда как полностью управляемый выпрямитель использует тиристоры полностью.

Рис. 2. Цепи положительного полууправления и полностью управляемого выпрямителя - однофазные.

Цепи многофазного выпрямителя

Входы многофазного переменного тока выпрямляются с помощью диодов на каждой фазе. Как и в случае однофазных источников питания, эти выпрямители могут быть неуправляемыми (только диоды), полууправляемыми или полностью управляемыми с помощью тиристоров.

Рис. 3. Полностью управляемая схема выпрямителя - трехфазная и шестифазная.

Выпрямители с тиристорным управлением в системах

Базовые компоненты выпрямителя преобразуют переменный ток в постоянный, но выход должен подаваться в систему с соответствующей защитой.Это включает в себя блокировку любых нежелательных шумов или скачков напряжения, которые могут возникать в линии переменного тока или во время выпрямления источника питания. Полупроводники, используемые в этих приложениях, обычно очень прочные, но их нормально защищать с помощью быстродействующих предохранителей, специально разработанных для этой цели. В случае неисправности, ведущей к перегреву, в узлы встроены термостатические расцепители, а для уменьшения скачков напряжения через тиристоры подключаются демпфирующие цепи.

Рис. 4. Типовая конфигурация выпрямительного блока с тиристорным управлением.

Собираем все вместе - создаем выпрямитель с тиристорным управлением

Проектирование выпрямителя с правильной конфигурацией, выбор оптимальных полупроводников, предохранителей, расцепителей и устройств защиты от скачков напряжения идет рука об руку с терморегулятором системы в целом . Каковы потери тиристоров при рабочей температуре? Сколько тепла будет рассеиваться и какого размера должен быть радиатор? Требуется ли принудительная конвекция воздуха через вентиляторы в сборке? Где находится оборудование? Какие отраслевые стандарты и соответствия необходимо учитывать?

Power Products International обладает более чем 30-летним опытом в разработке и производстве этого типа продукции, поэтому, если у вас есть приложение, требующее надежного и прочного выпрямительного оборудования, свяжитесь с нами, чтобы обсудить, как это сделать.

% PDF-1.3 % 1 0 obj > поток конечный поток эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > / Parent 3 0 R / Contents [20 0 R] / Type / Page / Resources> / Shading> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Font >>> / MediaBox [0 0 595.g \ _o + -sO41'_sLZG8} htPcѭc | p @ 2 iLoNǀ [% 0] 6DpU = @ " v {, 7QU7io) iPl * Llɬ / e4`u) o. = Whhs | SYcvsμamFiAhOZ.: - fNT # ҝFԋ m ڷ 88 il? mt \ HR230 ֍ TK T0 | ح۬ nSeі4p / 5U!), yceZ-hDb, kU-˝: ٰ Y4_Ys = E ~ I,> 2

Тиристорная силовая электроника, 7 тиристорный трехфазный выпрямитель / инвертор

% PDF 1.4 % 1 0 obj> поток application / pdfТиристорная силовая электроника, 7 тиристорный трехфазный выпрямитель / инвертор

  • Festo Didactic
  • PDFCreator 2.3.0.1032016-04-12T09: 42: 45-04: 002016-04-12T09: 42: 45-04: 00Festo Didactic конечный поток эндобдж 2 0 obj> / Parent 8 0 R / Rotate 0 / MediaBox [0 0 595 842] / TrimBox [0 36.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *