Схема тиристорная: Схема тиристорного регулятора больших выпрямленных токов

Содержание

Схема тиристорного регулятора больших выпрямленных токов

Испытанная временем схема регулирования тока мощных потребителей отличается простотой в наладке, надежностью в эксплуатации и широкими потребительскими возможностями. Она хорошо подходит для управления режимом сварки, для пуско-зарядных устройств и для мощных узлов автоматики.

Принципиальная схема

При питании мощных нагрузок постоянным током часто применяется схема (рис.1) выпрямителя на четырех силовых вентилях. Переменное напряжение подводится к одной диагонали "моста", выходное постоянное (пульсирующее) напряжение снимается с другой диагонали. В каждом полупериоде работает одна пара диодов (VD1-VD4 или VD2-VD3).

Это свойство выпрямительного "моста" существенно: суммарная величина выпрямленного тока может достигать удвоенной величины предельного тока для каждого диода. Предельное напряжение диода не должно быть ниже амплитудного входного напряжения.

Поскольку класс напряжения силовых вентилей доходит до четырнадцатого (1400 В), с этим для бытовой электросети проблем нет.

Существующий запас по обратному напряжению позволяет использовать вентили с некоторым перегревом, с малыми радиаторами (не злоупотреблять!).

Рис. 1. Схема выпрямителя на четырех силовых вентилях.

Внимание! Силовые диоды с маркировкой "В" проводят ток, "подобно" диодам Д226 (от гибкого вывода к корпусу), диоды с маркировкой "ВЛ" - от корпуса к гибкому выводу.

Использование вентилей различной проводимости позволяет выполнить монтаж всего на двух двойных радиаторах. Если же с корпусом устройства соединить "корпуса" вентилей "ВЛ" (выход "минус"), то останется изолировать всего один радиатор, на котором установлены диоды с маркировкой "В". Такая схема проста в монтаже и "наладке", но возникают трудности, если приходится регулировать ток нагрузки.

Если со сварочным процессом все понятно (присоединять "балласт"), то с пусковым устройством возникают огромные проблемы. После пуска двигателя огромный ток не нужен и вреден, поэтому необходимо его быстро отключить, так как каждое промедление укорачивает срок службы батареи (нередко батареи взрываются!).

Очень удобна для практического исполнения схема, показанная на рис.2, в которой функции регулирования тока выполняют тиристоры VS1, VS2, в этот же выпрямительный мост включены силовые вентили VD1, VD2. Монтаж облегчается тем, что каждая пара "диод-тиристор" крепится на своем радиаторе. Радиаторы можно применить стандартные (промышленного изготовления).

Другой путь - самостоятельное изготовление радиаторов из меди, алюминия толщиной свыше 10 мм. Для подбора размеров радиаторов необходимо собрать макет устройства и "погонять" его в тяжелом режиме. Неплохо, если после 15-минутной нагрузки корпуса тиристоров и диодов не будут "обжигать" руку (напряжение в этот момент отключить!).

Корпус устройства необходимо выполнить так, чтобы обеспечивалась хорошая циркуляция нагретого устройством воздуха. Не помешает установка вентилятора, который "помогает" прогонять воздух снизу вверх. Удобны вентиляторы, устанавливаемые в стойках с компьютерными платами либо в "советских" игровых автоматах.

Рис. 2. Схема регулятора тока на тиристорах.

Возможно выполнение схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах (рис.3). Нижняя (по схеме) пара тиристоров VS3, VS4 запускается импульсами от блока управления.

Импульсы приходят одновременно на управляющие электроды обоих тиристоров. Такое построение схемы "диссонирует" с принципами надежности, но время подтвердило работоспособность схемы ("сжечь" тиристоры бытовая электросеть не может, поскольку они выдерживают импульсный ток 1600 А).

Тиристор VS1 (VS2) включен как диод - при положительном напряжении на аноде тиристора через диод VD1 (или VD2) и резистор R1 (или R2) на управляющий электрод тиристора будет подан отпирающий ток. Уже при напряжении в несколько вольт тиристор откроется и до окончания полуволны тока будет проводить ток.

Второй тиристор, на аноде которого было отрицательное напряжение, не будет запускаться (это и не нужно). На тиристоры VS3 и VS4 из схемы управления приходит импульс тока. Величина среднего тока в нагрузке зависит от моментов открывания тиристоров - чем раньше приходит открывающий импульс, тем большую часть периода соответствующий тиристор будет открыт.

Рис. 3. Схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах.

Открывание тиристоров VS1, VS2 через резисторы несколько "притупляет" схему: при низких входных напряжениях угол открытого состояния тиристоров оказывается малым - в нагрузку проходит заметно меньший ток, чем в схеме с диодами (рис.2).

Таким образом, данная схема вполне пригодна для регулировки сварочного тока по "вторичке" и выпрямления сетевого напряжения, где потеря нескольких вольт несущественна.

Эффективно использовать тиристорный мост для регулирования тока в широком диапазоне питающих напряжений позволяет схема, показанная на рис.4,

Устройство состоит из трех блоков:

  1. силового;
  2. схемы фазоимпульсного регулирования;
  3. двухпредельного вольтметра.

Трансформатор Т1 мощностью 20 Вт обеспечивает питание блока управления тиристорами VS3 и VS4 и открывание "диодов" VS1 и VS2. Открывание тиристоров внешним блоком питания эффективно при низком (автомобильном) напряжении в силовой цепи, а также при питании индуктивной нагрузки.

Рис. 4. Тиристорный мост для регулировки тока в широком диапазоне.

Рис. 5. Принципиальная схема блока управления тиристорами.

Открывающие импульсы тока с 5-вольтовых обмоток трансформатора подводятся в противофазе к управляющим электродам VS1, VS2. Диоды VD1, VD2 пропускают к управляющим электродам только положительные полуволны тока.

Если фазировка открывающих импульсов "подходит", то тиристорный выпрямительный мост будет работать, иначе тока в нагрузке не будет.

Этот недостаток схемы легко устраним: достаточно повернуть наоборот сетевую вилку питания Т1 (и пометить краской, как нужно подключать вилки и клеммы устройств в сеть переменного тока). При использовании схемы в пуско-зарядном устройстве заметно увеличение отдаваемого тока по сравнению со схемой рис.3.

Очень выгодно наличие слаботочной цепи (сетевого трансформатора Т1). Разрывание тока выключателем S1 полностью обесточивает нагрузку. Таким образом, прервать пусковой ток можно маленьким концевым выключателем, автоматическим выключателем или слаботочным реле (добавив узел автоматического отключения).

Это очень существенный момент, поскольку разрывать сильноточные цепи, требующие для прохождения тока хорошего контакта, намного труднее. Мы не случайно вспомнили о фазировке трансформатора Т1. Если бы регулятор тока был "встроен" в зарядно-пусковое устройство или в схему сварочного аппарата, то проблема фазировки была бы решена в момент наладки основного устройства.

Наше устройство специально выполнено широкопрофильным (как пользование пусковым устройством определяется сезоном года, так и сварочные работы приходится вести нерегулярно). Приходится управлять режимом работы мощной электродрели и питать нихромовые обогреватели.

На рис.5 показана схема блока управления тиристорами. Выпрямительный мостик VD1 подает в схему пульсирующее напряжение от 0 до 20 В. Это напряжение через диод VD2 подводится к конденсатору С1, обеспечивается постоянное напряжение питания мощного транзисторного "ключа" на VT2, VT3.

Пульсирующее напряжение через резистор R1 подводится к параллельно соединенным резистору R2 и стабилитрону VD6. Резистор "привязывает" потенциал точки "А" (рис.6) к нулевому, а стабилитрон ограничивает вершины импульсов на уровне порога стабилизации. Ограниченные импульсы напряжения заряжают конденсатор С2 для питания микросхемы DD1.

Эти же импульсы напряжения воздействуют на вход логического элемента. При некотором пороге напряжения логический элемент переключается. С учетом инвертирования сигнала на выходе логического элемента (точка "В") импульсы напряжения будут кратковременными -около момента нулевого входного напряжения.

Рис. 6. Диаграмма импульсов.

Следующий элемент логики инвертирует напряжение "В", поэтому импульсы напряжения "С" имеют значительно большую длительность. Пока действует импульс напряжения "С", через резисторы R3 и R4 происходит заряд конденсатора C3.

Экспоненциально нарастающее напряжение в точке "Е", в момент перехода через логический порог, "переключает" логический элемент. После инвертирования вторым логическим элементом высокому входному напряжению точки "Е" соответствует высокое логическое напряжение в точке "F".

Двум различным величинам сопротивления R4 соответствуют две осциллограммы в точке "Е":

  • меньшее сопротивление R4 - большая крутизна - Е1;
  • большее сопротивление R4 - меньшая крутизна - Е2.

Следует обратить внимание также на питание базы транзистора VT1 сигналом "В", во время снижения входного напряжения до нуля транзистор VT1 открывается до насыщения, коллекторный переход транзистора разряжает конденсатор С3 (происходит подготовка к зарядке в следующем полупериоде напряжения). Таким образом, логический высокий уровень появляется в точке "F" раньше или позже, в зависимости от сопротивления R4:

  • меньшее сопротивление R4 - раньше появляется импульс - F1;
  • большее сопротивление R4 - позже появляется импульс - F2.

Усилитель на транзисторах VT2 и VT3 "повторяет" логические сигналы -точка "G". Осциллограммы в этой точке повторяют F1 и F2, но величина напряжения достигает 20 В.

Через разделительные диоды VD4, VD5 и ограничительные резисторы R9 R10 импульсы тока воздействуют на управляющие электроды тиристоров VS3 VS4 (рис.4). Один из тиристоров открывается, и на выход блока проходит импульс выпрямленного напряжения.

Меньшему значению сопротивления R4 соответствует большая часть полупериода синусоиды - h2, большему - меньшая часть полупериода синусоиды - h3 (рис.4). В конце полупериода ток прекращается, и все тиристоры закрываются.

Рис. 7. Схема автоматического двухпредельного вольтметра.

Таким образом, различным величинам сопротивления R4 соответствует различная длительность "отрезков" синусоидального напряжения на нагрузке. Выходную мощность можно регулировать практически от 0 до 100%. Стабильность работы устройства определяется применением "логики" - пороги переключения элементов стабильны.

Конструкция и налаживание

Если ошибок в монтаже нет, то устройство работает стабильно. При замене конденсатора С3 потребуется подбор резисторов R3 и R4. Замена тиристоров в силовом блоке может потребовать подбора R9, R10 (бывает, даже силовые тиристоры одного типа резко отличаются по токам включения - приходится менее чувствительный отбраковывать).

Измерять напряжение на нагрузке можно каждый раз "подходящим" вольтметром. Исходя из мобильности и универсальности блока регулирования, мы применили автоматический двухпредельный вольтметр (рис.7).

Измерение напряжения до 30 В производится головкой PV1 типа М269 с добавочным сопротивлением R2 (регулируется отклонение на всю шкалу при 30 В входного напряжения). Конденсатор С1 необходим для сглаживания напряжения, подводимого к вольтметру.

Для "загрубления" шкалы в 10 раз служит остальная часть схемы. Через лампу накаливания (бареттер) HL3 и подстроечный резистор R3 запитывается лампа накаливания оптопары U1, стабилитрон VD1 защищает вход оптрона.

Большое входное напряжение приводит к снижению сопротивления резистора оптопары от мегаом до ки-лоом, транзистор VT1 открывается, реле К1 срабатывает. Контакты реле при этом выполняют две функции:

  • размыкают подстроечное сопротивление R1 - схема вольтметра переключается на высоковольтный предел;
  • вместо зеленого светодиода HL2 включается красный светодиод HL1.

Красный, более заметный, цвет специально выбран для шкалы больших напряжений.

Внимание! Подстройка R1(шкала 0...300) производится после подстройки R2.

Питание к схеме вольтметра взято из блока управления тиристорами. Развязка от измеряемого напряжения осуществлена с помощью оптрона. Порог переключения оптрона можно установить немного выше 30 В, что облегчит подстройку шкал.

Диод VD2 необходим для защиты транзистора от всплесков напряжения в момент обесточивания реле. Автоматическое переключение шкал вольтметра оправдано при использовании блока для питания различных нагрузок. Нумерация выводов оптрона не дана: с помощью тестера нетрудно различить входные и выходные выводы.

Сопротивление лампы оптрона равно сотням ом, а фоторезистора - мегаом (в момент измерения лампа не запитана). На рис.8 показан вид устройства сверху (крышка снята). VS1 и VS2 установлены на общем радиаторе, VS3 и VS4 - на отдельных радиаторах.

Резьбу на радиаторах пришлось нарезать под тиристоры. Гибкие выводы силовых тиристоров обрезаны, монтаж осуществлен более тонким проводом.

Рис. 8. Вид устройства сверху.

На рис.9 показан вид на лицевую панель устройства. Слева расположена ручка регулирования тока нагрузки, справа - шкала вольтметра. Около шкалы закреплены светодиоды, верхний (красный) расположен около надписи "300 В".

Клеммы устройства не очень мощные, так как применяется оно для сварки тонких деталей, где очень важна точность поддержания режима. Время пуска двигателя небольшое, поэтому ресурса клеммных соединений хватает.

Рис. 9. Вид на лицевую панель устройства.

Верхняя крышка крепится к нижней с зазором в пару сантиметров для обеспечения лучшей циркуляции воздуха.

Устройство легко поддается модернизации. Так, для автоматизации режима запуска двигателя автомобиля не нужны дополнительные детали (рис.10).

Необходимо между точками "D" и "E" блока управления включить нормально замкнутую контактную группу реле К1 из схемы двухпредельного вольтметра. Если перестройкой R3 не удастся довести порог переключения вольтметра до 12...13 В, то придется заменить лампу HL3 более мощной (вместо 10 установить 15 Вт).

Пусковые устройства промышленного изготовления настраиваются на порог включения даже 9 В. Мы рекомендуем настраивать порог переключения устройства на более высокое напряжение, так как еще до включения стартера аккумулятор немного подпитывается током (до уровня переключения). Теперь пуск производится немного "подзаряженным" аккумулятором вместе с автоматическим пусковым устройством.

Рис. 10 . Автоматизация режима запуска двигателя автомобиля.

По мере увеличения бортового напряжения автоматика "закрывает" подачу тока от пускового устройства, при повторных пусках в нужные моменты подпитка возобновляется. Имеющийся в устройстве регулятор тока (скважности выпрямленных импульсов) позволяет ограничить величину пускового тока.

Н.П. Горейко, В.С. Стовпец. г. Ладыжин. Винницкая обл. Электрик-2004-08.

ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ

   Данный регулятор напряжения собирался мной для использования в различных направлениях: регулирование скорости вращения двигателя, изменение температуры нагрева паяльника и т.д. Возможно название статьи покажется не совсем корректным, и эта схема иногда встречается как регулятор мощности, но тут надо понимать, что по сути происходит регулировка фазы. То есть времени, в течении которого сетевая полуволна проходит в нагрузку. И с одной стороны регулируется напряжение (через скважность импульса), а с другой - мощность, выделяемая на нагрузке.


   Следует учесть, что наиболее эффективно данный прибор будет справляться с резистивной нагрузкой – лампы, нагреватели и т.д. Потребители тока индуктивного характера тоже можно подключать, но при слишком малой его величине надёжность регулировки снизится.


   Схема данного самодельного тиристорного регулятора не содержит дефицитных деталей. При использовании, указанных на схеме выпрямительных диодов, прибор может выдержать нагрузку до 5А (примерно 1 кВт) с учетом наличия радиаторов. 


   Для увеличения мощности подключаемого устройства нужно использовать другие диоды или диодные сборки, рассчитанные на необходимый вам ток.

   Так-же нужно заменять и тиристор, ведь КУ202 рассчитан на предельный ток до 10А. Из более мощных рекомендуются отечественные тиристоры серии Т122, Т132, Т142 и другие аналогичные.


   Деталей в тиристорном регуляторе не так уж и много, в принципе допустим навесной монтаж, однако на печатной плате конструкция будет смотреться красивее и удобнее. Рисунок платы в формате LAY качаем тут. Стабилитрон Д814Г меняется на любой, с напряжением 12-15В.


   В качестве корпуса использовал первый попавшийся - подходящий по размерам. Для подключения нагрузки вывел наружу разъем для вилки. Регулятор работает надежно и действительно изменяет напряжение от 0 до 220 В. Автор конструкции: SssaHeKkk.

   Форум по радиосхемам

   Форум по обсуждению материала ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Схема тиристорного управления электроприводом шпиля

Схемы электроприводов, построенные по системе генератор — двигатель, обладают хорошими регулировочными характеристиками. Однако для обеспечения работы исполнительных электродвигателей приходится устанавливать приводной двигатель, генератор и возбудитель. Построечная стоимость схемы электропривода растет, обслуживание усложняется.

На рис. 1, а показана тиристорная схема электропривода шпиля, на рис. 1, б — таблица замыканий контактов пульта управления ПУ. Трехфазное питание переменного тока автоматическим выключателем АВ подается на управляемый выпрямительный мост, состоящий из неуправляемых силовых вентилей B1, В2, ВЗ и управляемых вентилей — тиристоров T1, Т2, Т3. Релаксационный генератор (генератор периодических импульсов несинусоидальной формы) управляет степенью открытия тиристоров T1, Т2, Т3, изменяя величину напряжения постоянного тока, подведенного к компаундному электродвигателю.

Рис. 1. Схема тиристорного управления электроприводом шпиля


Рукоятка пульта управления связана с контактами пульта ПУ1—ПУ5 и бесконтактным сельсином управления БС. Управление релаксационным генератором осуществляется через магнитный усилитель МУ и трансформатор питания ТрП.

Работа схемы «Вперед»

В первом положении пульта управления замыкаются контакты ПУ1, ПУ2: включается цепь питания сельсина БС, срабатывает контактор тормоза Т, его контакт КТ подает питание на магнитный тормоз МТ. Контакторы направления В и Н еще не сработали, на якорь электродвигателя М напряжение не подается, и он замкнут на резистор Rт. Через трансформатор Тр и выпрямитель В7 получает питание независимая обмотка электродвигателя НОВ.

Следовательно, в первом положении пульта управления электродвигатель в ход сам не пойдет, но его якорь может вращаться под действием внешних сил. Якорь будет пересекать магнитный поток обмотки НОВ, и в нем возникнет электродвижущая сила. В контуре М—R потечет тормозной ток. Происходит работа в тормозном режиме.

Стоит внешним силам прекратить раскручивание якоря электродвигателя, и он остановится. Бесконтактный сельсин БС находится в исходном положении, поэтому в обмотке управления ОУ тока нет (это не имеет никакого значения, так как двигатель М не подключен к выпрямительному мосту).

В следующих положениях рукоятки ПУ замыкается контакт ПУ4. Срабатывает контактор направления В, включая двигатель в цепь питания и отключая его от тормозного резистора Rт. Ротор сельсина БС поворачивается незначительно, поэтому ток в обмотке управления ОУ очень мал. Начиная с третьего положения рукоятки ПУ, контакты ПУ1—ПУ5 не переключаются, а все больше поворачивается ротор сельсина БС, работающего в трансформаторном режиме. Происходит постоянное увеличение тока в обмотке ОУ.

В каждой фазе питания С, В, А синусоиды напряжений смещены относительно друг друга на 120°, это можно сказать и относительно напряжений, подведенных к тиристорам Т3, Т2, Т1. Значит, управление тиристорами нужно осуществлять со сдвигом на 120°. Напряжения на первичных обмотках АТр, ВТр, СТр трансформатора питания ТрП тоже смещены на 120° относительно друг друга. Значит, каждый колебательный контур релаксационного генератора будет работать со смещением на 120 эл. град.

Работа колебательного контура одной фазы

Достаточно рассмотреть работу колебательного контура одной фазы. На низких скоростях ротор сельсина БС повернут на малый угол, по обмотке управления ОУ течет небольшой ток и железо магнитного усилителя МУ не насыщено. В этом случае индуктивное сопротивление рабочих обмоток ОРС, ОРВ, ОРА высокое. На этих обмотках повышенное падение напряжения, а на первичных обмотках АТр, ВТр, СТр трансформатора ТрП напряжение небольшое. Конденсатор С1, получающий питание от вторичной обмотки трансформатора ТрП, заряжается медленно. Напряжение с конденсатора через В4 и резистор R1 подводится положительным полюсом на управляющий электрод У вспомогательного тиристора Т4. Этот тиристор откроется только тогда, когда на его электроде У напряжение достигнет 15—20 В.

Так как напряжение трансформатора ТрП невысокое, то относительно напряжения фазы А (оно подведено к тиристору Т1) конденсатор будет заряжаться долго. Наконец, с отставанием на угол α (рис. 2) на электроде У появляется напряжение 15—20 В. Открывается тиристор Т4 (см. рис. 1), и конденсатор через В4, Т4 и первичную обмотку импульсного трансформатора ИТр1 разряжается. На электрод У1 тиристора Т1 поступает импульс напряжения управления Uy. С этого момента тиристор Т1 открыт. Выпрямляется часть синусоиды напряжения положительного полупериода (на рис. 2 заштрихована).

Рис. 2. Принцип открытия тиристоров напряжением управления при низких (а) и высоких (б) частотах вращения


Присутствие сигнала управления на электроде У1 после открытия тиристора не обязательно — он будет открыт до тех пор, пока через тиристор протекает ток. Однако положительный полупериод заканчивается, тиристор закрывается. В следующий положительный полупериод для открытия тиристора Т1 релаксационный генератор выработает новый импульс управления Uy. На низких скоростях открытие тиристоров происходит с большим углом зажигания а, т. е. открытие позднее. Величина выпрямленного среднего напряжения Uc невелика.

На высоких скоростях угол поворота БС большой, сельсин подает большое напряжение на обмотку ОУ, железо магнитного усилителя МУ насыщено, следовательно, сопротивление рабочих обмоток низкое. На обмотках ОРС, ОРВ, ОРА маленькое падение напряжения, а на трансформатор ТрП поступает повышенное напряжение. Конденсатор С1 заряжается быстро; открытие вспомогательного тиристора Т4, разряд конденсатора через ИТр1, подача импульса на электрод У1 и открытие тиристора будут ранними (под углом α1). Пропускается почти вся положительная полуволна напряжения. Выпрямленное напряжение Ucl высокое, электродвигатель работает с большой частотой вращения.

Схема симметрична, и работа «Назад» происходит аналогично. Теперь включаются контакты Н, изменяя полярность подведенного напряжения к якорю двигателя.

При недопустимых перегрузках или коротких замыканиях в силовой цепи срабатывает защита установочного автомата АВ и привод отключается.

При некоторых допустимых перегрузках в цепи работает защита, выполненная шунтом Ш, стабилитроном СТ и обмоткой ОЗ усилителя.

Падение напряжения на шунте Ш пропорционально току нагрузки; в нормальных условиях это напряжение недостаточно для пробоя стабилитрона СТ и по обмотке защиты ОЗ ток не проходит. При перегрузках падение напряжения на шунте Ш становится достаточным для пробоя СТ, по обмотке ОЗ течет ток, размагничивающий усилитель, сопротивление его рабочих обмоток растет, на них большое падение напряжения, а на трансформаторе ТрП напряжение понижается.

Заряд конденсаторов C1, С2, С3 происходит медленно, что соответствует позднему открытию тиристоров T1, Т2, Т3. Двигатель получает низкое напряжение, его ток и частота вращения уменьшаются. Так достигается разгрузка.

При уменьшении напряжения на шунте Ш до величины, ниже, пробойной, стабилитрон СТ снова запирается, переходя в нормальное состояние.

Рассмотренная схема по широте и плавности регулирования равнозначна схеме генератор—двигатель, но здесь нет трехмашинного агрегата, его заменяет блок статических выпрямителей. Такая схема имеет более низкую построечную стоимость, менее громоздка и не требует систематического ухода.

⇓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⇓

Тиристорный регулятор напряжения сети. — Радиомастер инфо

Эти регуляторы напряжения сети широко известны и успешно применяются для регулировки яркости свечения ламп, температуры нагревателей, кипятильников, жала паяльника, регулировки тока заряда аккумулятора и так далее. В этой статье рассмотрены самые простые схемы таких регуляторов, показаны испытания в работе.

В основном наиболее распространены три схемы:

  1. Тиристорный регулятор на двух тиристорах, четырех диодах и двух конденсаторах.

  1. Тиристорный регулятор на двух тиристорах, двух динисторах и двух конденсаторах.

  1. Симисторный регулятор. Эта схема имеет минимальное количество деталей, так как симистор, это в принципе два тиристора в одном корпусе и он один работает на две полуволны, отрицательную и положительную, в то время как тиристор только на одну полуволну, и мы вынуждены были включать их встречно-параллельно, как и видно из предыдущих схем. Динистор DB3, также двунаправленный, в отличие от КН102.

 

Все схемы рабочие, выбрать можно ту, детали которой для вас доступнее. В свое время, очень давно, я выбрал схему 1, она по описанию регулирует напряжение от 40 В до 220В. Когда собрал, попробовал расширить пределы регулировки. Удалось добиться регулировки от 2 В до 215 В при напряжении сети 220 В. Изменены всего несколько номиналов резисторов и емкость одного конденсатора. Для удобства добавлен выключатель, предохранитель и вольтметр. Получилась вот такая схема, своего рода маленький ЛАТР (лабораторный автотрансформатор).

Недостатком является то, что при включении напряжение скачет до максимума, а затем устанавливается в соответствии с выставленным переменным резистором значением. Но это не слишком мешает если вы регулируете нагреватель, паяльник или лампу. Большим достоинством является плавная регулировка напряжения на нагрузке от 2-3 вольт до максимального значения, которое, как уже говорилось, всего на несколько вольт ниже напряжения сети. Если планируете регулировать напряжение на нагрузке с большими токами (5-7) А, тиристоры нужно установить на радиаторы. Их максимальный ток 10 А, но на пределе использовать не желательно.

Конструктивно тиристорный регулятор выполнен в алюминиевом корпусе, без печатной платы, навесным монтажом, на куске гетинакса.

Расположение основных деталей:

Минимальное напряжение на нагрузке несколько вольт, около 0 В.

Максимальное напряжение на нагрузке, на несколько вольт ниже напряжения сети.

Достоинство этой схемы – простота и надежность. Собрана в свое время из подручных деталей. Отработала без отказов много лет. В основном подключал нагрузки до 300 Вт, хотя иногда и больше.

Материал статьи продублирован на видео:

Тиристорные схемы управления асинхронными двигателями

На чтение 12 мин. Обновлено

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Определение

Тиристор (тринистор) — это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый — значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор — двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках «zero crossing detector circuit» или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Заключение

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

Источник

Асинхронный двигатель с тиристорным регулятором напряжения

Скорость асинхронного двигателя (АД) можно регулировать изменением напряжения, подводимого к статору, при этом частота напряжения на двигателе не изменяется и равна частоте сети 50 Гц.

Для регулирования напряжения на статоре АД (рис. 8.11) наибольшее распространение получили тиристорные регуляторы напряжения (ТРН), которые обладают большим быстродействием, высоким КПД, небольшой стоимостью. В каждую фазу трехфазного ТРН включаются два тиристора по встречно-параллельной схеме, которая обеспечивает протекание тока в нагрузке в оба полупериода напряжения сети U1. Тиристоры получают импульсы управления Ua от системы импульсно-фазового управления (СИФУ), которая обеспечивает их сдвиг на угол управления αа в функции внешнего сигнала Uy. Изменяя угол управления αа от 0 до 180°, можно регулировать напряжение на статоре от полного напряжения сети U1 до нуля. Форма напряжения статора является несинусоидальной.

Несинусоидальное напряжение представим как совокупность нес-кольких синусоидальных напряжений –— гармоник с определенной час-тотой. Частота изменения первой из них (основной) равна частоте питающего напряжения f1,ь а частоты других гармоник больше, чем первой. Основная гармоника имеет наибольшую амплитуду, и по ней ведутся все основные расчеты.На рис.8.14,(б)показаны механические характеристики АД при изменении напряжения на его статоре.

Регулирование напряжения на статоре не приводит к изменению скорости ХХωw и не влияет на критическое скольжение sK, но изменяет значение критического (максимального) момента МKк. Критический момент пропорционален квадрату напряжения: МKк

Рис. 8.11.Схема асинхронного ЭП с тиристорным пусковым устройством

Скольжение s определяется зависимостью, где ω – скорость идеаль-

ного холостого хода АД:

Скольжение sопределяется зависимостью

где w — скорость идеального холостого хода АД.

Полная мощность на валу, включающая потери на трение и венти-ляцию:

где М – — электромагнитный момент двигателя.

Полная электромагнитная мощность, передаваемая от статора к ро-тору через воздушный зазор:

Разность мощностей

рассеивается в виде теплоты в активных сопротивлениях ротора. Потери в роторе определяются как

. (8.1)

Часть электромагнитной мощности, пропорциональная скольжению s, рассеивается в виде теплоты в обмотке ротора, другая часть, пропор-циональная (1 — s), передается на вал двигателя, т.е.

(8.2)

Т. о.,Способ регулирования скорости изменением напряжения является неэкономичным, так как потери в роторе при постоянном моменте наг-рузки возрастают пропорционально скольжению.

Из (8.1) получим выражение длямомент двигателя:

, (8.3)

где т –— число фаз статора; r2–— сопротивление ротора.

.

В установившемся режиме работы момент двигателя М равен мо-менту сопротивления МсМС. Для вентиляторной нагрузки

Вывод. Токи АД

обратно пропорциональны .

Продифференцировав последнее выражение, легко показать, что токи имеют максимальное значение при s = 1/3 или ωw = 2/Зωw. Для постоянного момента нагрузки полу-чаем:

.
Рис. 8.12. Характеристика АД с повышенным сопротивлением статора

Cопротивление ротора является важным параметром, влияющим на токи двигателя. Для получения удов-летворительных режимов работы двигателя с вентиляторным моментом сопротивления на валу необходимо применять двигатели с повышенным сопротивлением ротора, обеспечи-вающим номинальное скольжение 10. 12 %. При работе с постоянным моментом нагрузки сопротивление ротора должно быть еще больше.

На рис. 8.12 приведены харак-теристики двигателя с повышенным сопротивлением ротора. Их сравнение с характеристиками на рис. 8.11 показывает, что при применении двигателя с повышенным сопротив-лением ротора удается несколько увеличить диапазон регулирования. Для рассматриваемого способа используются также двигатели с пере-менным сопротивлением ротора. Обычные глубокопазовые или двух-кле-точные двигатели в этих случаях оказываются малоэффективными. Луч-шие характеристики имеют двигатели с массивным ротором или клиньями, изготовленными в виде постоянных магнитов. В этом случае нагрев двигателя уменьшается, так как часть потерь в роторной цепи рассеивается вне двигателя.

Все перечисленные мероприятия не могут существенноо устранить потери в роторной цепи,что сильно ограничивает диапазон регулирования в этой системе. Для реверса АД, (см. рис.7.8,а) могут быть использованы

обычные контакторы, которые переклю-чают два провода в цепи статора при отсутствии тока в силовой цепи, за счет предварительного устранить потери в роторной цепи, что сильно ограничивает диапазон регулирования в этой системе. Для реверса АД, рис.7.8,а, могут быть использованы обычные контакторы, которые переключают два провода в цепи статора при отсутствии тока в силовой цепи за счет предварительного запирания тиристоров. Бестоковая коммутация позволяет повы-сить безотказность работы контакторов. Реверсирование фаз статора можно осущес-твить также бесконтактным способом за счет включения дополнительных тиристор-ных групп (рис.8.13). При прямом враще-нии двигателя тиристоры дополнительных групп Х иУ закрыты.
Рис. 8.13. Схема тиристорного регулятора напряжения для реверсивной схемы
Рис. 8.14. Схема несимметричного регулятора напряжения асинхронного двигателя

Управляющие импульсы к этим ти-ристорам подаются в том случае, если группы А и С закрыты. При этом изме-няется порядок чередования фаз прило-женного напряжения к статору напряже-ния, и двигатель реверсируется. Группы Х и У должны открыватьсяпосле полного запирания групп A и C, в противном случае возникает режим КЗ. Для предотвращения режима КЗ в фазы статора включают датчики тока, которые запрещают перек-лючение тиристорных групп до тех пор, пока токи не станут равными нулю. На рис. 8.17 приведена схема, которая содержит только две пары тиристоров, а третья фаза наг-рузки подключена непосредственно к сети.

Схема регулятора напряжения может содержать только два тирис-тора, включенных в одну из фаз статора двигателя. Однако в несиммет-ричных схемах усугубляются проблемы, связанные с нагревом двига-теля, так как нагрузка между его фазами распределяется неравномерно и некоторые фазы оказываются сильно перегруженными. Для несиммет-ричной нагрузки линейные напряжения, приложенные к зажимам статора в общем случае не равны друг другу

Если магнитная цепь АД не насыщена, то система несимметричных напряжений с помощью метода симметричных составляющих заменяется двумя системами симметричных напряжений прямой и обратной после-довательностей, которым соответствуют магнитные потоки двигателя, вращающиеся в противоположных направлениях. Если принять угловую скорость прямого поля ωwпр = ωwо за положительную, то угловая скорость обратного поля ωwобр = -ωwо В соответствии с этим скольжение относительно поля прямой последовательности вычисляется по формуле

а последовательности:относительно поля обратной последовательности по формуле

Момент, развиваемый двигателем при асимметричной системе нап-ряжений, равен алгебраической сумме моментов, обусловлен­ных полями прямой и обратной последовательностей::

.

Поскольку каждая из рассматриваемых систем напряжений симмет-рична, для них справедливы известные формулы расчета момента АД.

Несмотря на все отмеченные недостатки, система ТРН-АД вследст-вие ее простого конструктивного исполнения, нашла широкое примене-ние в связи с тем, что она позволяет обеспечить плавный пуск и тормо-жение электродвигателя, ограничить пусковой момент и токи, изменять направление скорости АД. На базе ТРН изготовляются тиристорные ре-версивные и нереверсивные контакторы для пуска, реверса и торможе-ния АД.

Одна из реальных областей применения системы ТРН-АД связана с использованием ее в ЭП насосных и вентиляторных установок.

Дата добавления: 2014-11-29 ; Просмотров: 8268 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

виды, схемы, достоинства и недостатки

Все турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и двигатели, изготавливаемые в настоящее время, оснащаются современными полупроводниковыми системами возбуждения – рис. 5.2 – 5.7. В этих системах используется принцип выпрямления трехфазного переменного тока повышенной или промышленной частоты возбудителей или напряжения возбуждаемой машины.

Электромашинные системы возбуждения (рис.5.1), выпускавшиеся заводами более 30 лет назад и находящиеся до сих пор в эксплуатации, могут быть заменены на современные полупроводниковые статические системы с любым набором заданных функций.

Системы возбуждения обеспечивают следующие режимы работы синхронных машин:

  1. начальное возбуждение;
  2.  холостой ход;
  3. включение в сеть методом точной синхронизации или самосинхронизации;
  4. работу в энергосистеме с допустимыми нагрузками и перегрузками;
  5. форсировку возбуждения по напряжению и по току с заданной кратностью;
  6. разгрузку по реактивной мощности и развозбуждение при нарушениях в энергосистемах;
  7. гашение поля генератора в аварийных режимах и при нормальной остановке;
  8. электрическое торможение агрегата.

Рис.5.1. Система независимого возбуждения с возбудителем постоянного тока.
КК – контактные кольца, Rсс и КСС – сопротивление и контактор самосинхронизации, РВ – резервный возбудитель, АГП – автомат гашения поля, АГПВ – автомат гашения поля возбудителя, Rр – регулировочный реостат, Rд и Rгасв – резисторы добавочный и гасительный в цепи ОВВ, ДОВВ – добавочная обмотка возбуждения возбудителя.

Для оснащения турбо- и гидрогенераторов выпускается три типа систем возбуждения:
• системы тиристорные независимые (СТН) – рис.5.2;
• системы тиристорные самовозбуждения (СТС) – рис.5.3;
• системы бесщеточные диодные (СБД) – рис.5.4


Системы тиристорного независимого возбуждения (СТН)

Системы тиристорные независимые (СТН) предназначены для питания обмотки возбуждения крупных турбо- и гидрогенераторов выпрямленным регулируемым током, применяемые при выработке электроэнергии на ГЭС и других генерирующих станциях – рис. 5.2.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

В отличие от систем самовозбуждения (СТС), в СТН тиристорные выпрямители главного генератора получают питание от независимого источника напряжения переменного тока промышленной частоты – от вспомогательного синхронного генератора, вращающемся на одном валу с главным генератором

 

Рис.5.2. Система тиристорная независимая (СТН) с возбудителем переменного тока и двумя группами тиристоров, в сочетании со схемой резервного возбуждения от двухмашинного агрегата асинхронный двигатель-возбудитель постоянного тока. В – возбудитель (вспомогательный генератор) переменного тока, ОВВ обмотка возбуждения возбудителя, ВРГ, ВФГ – тиристорные вентили рабочей и форсировочной групп, ВВВ – тиристорные вентили выпрямителя возбудителя, СУВРГ, СУВФГ, СУВВВ – системы управления вентилями соответствующих групп, ВТВ – выпрямительный трансформатор возбудителя, ТСНВ – трансформатор СН тиристорных выпрямителей.

Вспомогательный генератор переменного тока возбуждения построен по схеме самовозбуждения. СТН обладает важным преимуществом – её параметры не зависят от процессов, протекающих в энергосистеме.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Благодаря наличию вспомогательного генератора, сохраняется независимость возбуждения от длительности и удаленности КЗ и других возмущений в энергосистеме, и высокая скорость нарастания напряжения возбуждения: не более 25 мс до достижения максимального значения при уменьшении напряжения прямой последовательности в точке регулирования на 5%.

В системе СТН обеспечивается быстрое снятие возбуждения за счет изменения полярности напряжения возбуждения: время развозбуждения от максимального положительного до отрицательного минимального напряжения возбуждения не превышает 100 мс.


Рис.5.3. Система тиристорного самовозбуждения (СТС) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и двумя группами тиристоров. ТСНР, ТСНФ – трансформаторы СН тиристорных выпрямителей рабочей и форсировочной групп.

В системе СТН выпрямленное номинальное напряжение может составлять 700 В, а выпрямленный номинальный ток – до 5500А. Кратности форсировки по напряжению и току составляют не менее двух единиц, а длительность форсировки – от 20 до 50 с. Точность поддержания напряжения генератора – не хуже ±0,5% и до ±1%. Система охлаждения тиристорного выпрямителя в системах СТН и СТС может быть принудительно воздушной, естественной воздушной или водяной.

Система тиристорного самовозбуждения (СТС)

Система тиристорного самовозбуждения (СТС) предназначена для питания обмоток возбуждения турбо и гидрогенераторов выпрямленным регулируемым током – рис.5.3.
Питание тиристорного выпрямителя осуществляется через трансформатор, подключенный к генераторному токопроводу. Для запуска генератора предусмотрена цепь начального возбуждения, которая автоматически формирует кратковременный импульс напряжения на обмотке ротора до появления ЭДС обмотки статора генератора. Импульс напряжения достаточен для поддержания устойчивой работы тиристорного преобразователя в цепи самовозбуждения. Питание цепей начального возбуждения осуществляется как от источника переменного тока, так и от станционной аккумуляторной батареи.

В системе СТС выпрямленное номинальное напряжение составляет до 500 В, а выпрямленный номинальный ток – не более 4000 А, т.е. эти значения несколько ниже, чем в системах СТН.

Благодаря высокому быстродействию управляемого выпрямителя и предельным уровням напряжения и тока возбуждения в сочетании с эффективными законами управления система СТС обеспечивает высокое качество регулирования и большие запасоустойчивости энергосистем. По этим показателям система СТС соответствует значениям системы СТН.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

В системе СТН интенсивное гашение поля генераторов в нормальных условиях эксплуатации достигается за счет перевода тиристорного преобразователя в инверторный режим изменением полярности напряжения возбуждения – время развозбуждения не превышает 100 мс.

Экстренное снятие возбуждения в аварийных режимах обеспечивается автоматом гашения поля – электрическим аппаратом специальной конструкции, который при срабатывании производит оптимальное гашение поля генератора (АГП).

Рис.5.4. Система бесщеточная диодная (СБД) независимого возбуждения: а – с подвозбудителем (ПВ), б – без подвозбудителя, с питанием обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ) от выпрямительного трансформатора (ВТ). ДВ – вращающиеся диодные вентили.

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Действие АГП заключается в уменьшении времени гашения поля при соблюдении предельно допустимой по условиям электрической прочности изоляции величины напряжения на обмотке возбуждения. Защита ротора от перенапряжений выполняется на основе быстродействующих тиристорных разрядников.

Учитывая высокую надежность тиристорных выпрямителей и улучшение их параметров по токам и напряжениям, в схемах возбуждения могут применяться вместо двух групп вентилей (ВРГ, ВФГ) одну группу с необходимой кратностью форсировки – рис. 5.5.

Система тиристорного самовозбуждения резервная (СТСР)

В схемах рис.5.1, 5.2, 5.3 благодаря наличию контактных колец на роторе можно использовать систему резервного возбуждения. В прежних системах использовался двухмашинный агрегат из асинхронного двигателя, соединенного с генератором постоянного тока. Асинхронный двигатель получал питание от шин собственных нужд и был общим для нескольких генераторов.

В современной системе тиристорного самовозбуждения резервной (СТСР) использован принцип тиристорного выпрямления от разделительного трансформатора, также присоединенного к системе собственных нужд станции.

Назначение этих систем – питание обмотки ротора синхронной машины в случаях, когда основная система вследствие неисправности или технического обслуживания выведена из работы. На электростанциях устанавливают одну резервную систему на группу генераторов. На многих станциях продолжают использовать двухмашинные агрегаты, питаемые от шин собственных нужд. Более совершенной является статическая система СТСР, представляющая собой мощный регулируемый источник постоянного тока. Система оснащена всеми необходимыми средствами защиты, управления и коммутации.

Системы бесщеточные диодные (СБД)

Системы бесщеточные диодные (СБД) предназначены для питания обмотки возбуждения турбогенераторов выпрямленным регулируемым током – рис.5.4а,б.
Бесщеточный возбудитель представляет собой синхронный генератор обращенного исполнения, якорь которого с обмоткой переменного тока и диодным выпрямителем жестко соединен с ротором возбужденного турбогенератора. Обмотка возбуждения возбудителя расположена на его статоре.

Главное достоинство бесщеточных возбудителей состоит в отсутствии контактных колец и щеточного контакта в цепи обмотки ротора турбогенератора и в сокращении длины машины.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Это позволяет обеспечить возбуждение сверхмощных машин, токи возбуждения которых превышают 5500А, свойственных системе СТН – рис. 5.2. Выпрямленное номинальное напряжение составляет до 600В, а выпрямленный номинальный ток до 7800А. Система охлаждения вращающегося диодного выпрямителя – естественная воздушная.

Регулирование возбуждения генератора осуществляется путем управления током обмотки возбуждения обращенного возбудителя. Типовой комплект системы включает в себя автомат гашения поля, тиристорный разрядник и два преобразовательно-регулирующих канала (AVR-1, AVR-2) автоматических регуляторов возбуждения основного и резервного каналов соответственно. Один из каналов (AVR-1) находится в активном режиме, другой (AVR-2) – в горячем резерве. В частном случае основной канал регулирования получает питание от выпрямительного трансформатора, подключенного к генераторному токопроводу, а резервный – через выпрямительный трансформатор от шин собственных нужд электростанции.

Рис.5.5. Система бесщеточная диодная (СБД) с тиристорным возбуждением (ТВ-1, ТВ-2) обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ). СГ – синхронный генератор; ОВГ – обмотка возбуждения генератора; ДСВ – диодный синхронный возбудитель; ДВ – вращающийся диодный выпрямитель; В – обращенный синхронный возбудитель и его обмотка возбуждения ОВВ; ТВ-1, ТВ-2 – тиристорные выпрямители первого и второго канала для питания ОВВ; ВТ-1, ВТ-2 – выпрямительные трансформаторы первого и второго каналов; АРВ-1, АРВ-2 – автоматические регуляторы возбуждения первого и второго каналов; Р1, Р2, Р3, Р4 – разъединители; ТТ1, ТТ2, ТН1, ТН2 – измерительные трансформаторы тока и напряжения первого и второго каналов; ТА11, ТА12 – датчики тока возбуждения возбудителя; АГП – автомат гашения поля; ТР – тиристорный разрядник.

Рис.5.6. Система бесщеточная диодная (СБД) возбуждения дизель-генератора. СГ – синхронный дизель-генератор; ОВГ – обмотка возбуждения; ДВ – диодный выпрямитель; Т – тиристор; АРВ – автоматический регулятор возбуждения; ИТТ, ИТН – измерительные трансформаторы тока и напряжения; ТСТ с МШ – трехобмоточный суммирующий трансформатор с магнитным шунтом.

Бесщеточная диодная система возбуждения (СБД) обладает меньшим быстродействием по сравнению с тиристорными системами (СТС и СТН). Так, время нарастания напряжения возбуждения до максимального значения при уменьшении напряжения прямой последовательности в точке регулирования на 5% от номинального составляет величину не более 50мс, тогда как в тиристорных системах – не более 25 мс.

В схеме на рис.5.4а питание обмотки возбуждения диодного возбудителя осуществляется от магнитоэлектрического подвозбудителя с постоянными магнитами, а в схеме на рис.5.4б – от выпрямительного трансформатора, подключенного у генераторному токопроводу возбужденной машины. В обоих случаях для питания обмотки возбуждения (ОВВ) обращенного возбудителя (В) используется тиристорный выпрямитель, управляемый системой АРВ.

Рис.5.7. Система бесщеточная диодная (СБД) возбуждения дизель-генератора. СГ – синхронный генератор; ОВГ – обмотка возбуждения генератора; ДСВ – диодный синхронный возбудитель; ДВ – вращающийся диодный выпрямитель; В – обращенный синхронный возбудитель; ОВВ – обмотка возбуждения возбудителя; ПВ – магнитоэлектрический подвозбудитель с постоянными магнитами; АРВ – автоматический регулятор возбуждения; ТВ – тиристорный выпрямитель для питания ОВВ.

Как один из современных вариантов схемы рис.5.4б с выпрямительным трансформатором (ВТ) на рис.5.5 представлена бесщеточная диодная система (СБД) с тиристорным питанием по двум каналам (от сети СН через ВТ-2 и от токопровода генератора через ВТ-1) обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ).

Системы возбуждения для дизель-генераторов

АО «Электросила” является производителем дизель-генераторов мощностью от 200 до 6300 кВт с широким спектром напряжений и частот вращения. Для дизель-генераторов изготавливаются два типа систем возбуждения: паундированием, реализованная на базе трехобмоточного суммирующего трансформатора с магнитным шунтом и управляемого тиристорно-диодного преобразователя представлена на рис.5.6. Силовая часть выполнена в виде блока с принудительным охлаждением и размещена на корпусе генератора. Малогабаритный регулятор напряжения устанавливается в щите управления энергоблоком.

Система бесщеточная с диодным синхронным возбудителем (СБД), магнитоэлектрическим подвозбудителем с постоянными магнитами и статическим тиристорным регулятором возбуждения представлена на рис.5.7.

Вращающаяся часть оборудования системы (дизель-генератор, диодный синхронный возбудитель и магнитоэлектрический подвозбудитель) за счетсовмещения конструкции изготавливается в виде компактного блока, установленного на валу генератора.

Регулятор возбуждения размещен в отдельном шкафу. Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов представлены в таблице 5. 1.

Таблица 5.1. Основные характеристики систем возбуждения дизель-генераторов. Системы возбуждения дизель-генераторов характеризуются полной автономностью – начальное возбуждение обеспечивается исключительно за счет внутренних источников.

Автоматы гашения поля (АГП)

Автоматы гашения поля предназначены для коммутации цепей обмоток возбуждения турбо- и гидрогенераторов, имеющих контактные кольца на роторе, а также для гашения поля этих машин.

Оптимальные условия для интенсивного снижения тока ротора до нулевого значения обеспечиваются при разряде обмотки возбуждения на нелинейный резистор, сопротивление которого изменяется обратно пропорционально величине тока.

Благодаря специальной конструкции кольцевой дугогасительной решетки автомата гашения поля, горящая в ней дуга обладает вольтамперной характеристикой нелинейного резистора, обеспечивающей минимальное время гашения поля и безопасный уровень напряжения на кольцах ротора. Основные характеристики АГП производства АО «Электросила” представлены в табл.5.2.

Тиристорная схема регулятора тока для сварочного аппарата

В этом материале рассмотрим способы регулировки сварочного тока. Схемы регуляторов тока для сварочного аппарата разнообразны. Они имеют свои достоинства и недостатки. Постараемся помочь читателю выбрать регулятор тока для сварочного аппарата.

Схема сварочного аппарата.

Общие понятия

Общеизвестен принцип дуговой сварки. Освежим в памяти основные понятия. Чтобы получить сварочное соединение, необходимо создать дугу. Электрическая дуга возникает при подаче напряжения между сварочным электродом и поверхностью свариваемого материала. Ток дуги расплавляет металл, образуется расплавленная ванна между двумя торцами. После остывания шва получаем крепкое соединение двух металлов.

Схема дуговой сварки.

В России переменный ток регламентирован частотой 50 Гц. Питание для сварочного аппарата подается от сети фазным напряжением 220 В. Сварочные трансформаторы имеют две обмотки: первичную и вторичную. Вторичное напряжение трансформатора составляет 70 В.

Разделяют ручной и автоматический режим сварки. В условиях домашней мастерской сварку проводят в ручном режиме. Перечислим параметры, которые изменяют в ручном режиме:

  • сила тока сварки;
  • напряжение дуги;
  • скорость сварочного электрода;
  • количество проходов на шов;
  • диаметр и марка электрода.

Правильный выбор и поддержание на протяжении сварочного процесса необходимых параметров являются залогом качественного сварного соединения.

При проведении ручной дуговой сварки необходимо грамотно распределять ток. Это позволит выполнить качественный шов. Стабильность дуги напрямую зависит от величины сварочного тока. Специалисты подбирают ее исходя из диаметра электродов и толщины свариваемых материалов.

Вернуться к оглавлению

Типы регуляторов тока

Принципиальная электрическая схема регулятора постоянного тока.

Существует больше количество способов изменения силы тока во время проведения сварочных операций. Еще больше разработано принципиальных электрических схем регуляторов. Способы управления сварочным током могут быть следующие:

  • установка пассивных элементов во вторичной цепи;
  • переключение числа витков обмоток трансформатора;
  • изменение магнитного потока трансформатора;
  • регулировка на полупроводниках.

Следует знать преимущества и недостатки разных методов регулировки. Назовем характерные особенности указанных типов.

Вернуться к оглавлению

Резистор и дроссель

Первый тип регулировки считается самым простым. В сварочную цепь включают последовательно резистор или дроссель. В этом случае изменение силы тока и напряжения дуги происходит за счет сопротивления и, соответственно, падения напряжения. Умельцы оценили простой и эффективный способ регулировки тока – включение сопротивления во вторичную цепь. Устройство несложное и надежное.

Изменение величины тока с помощью резистора.

Добавочные резисторы используются для смягчения вольт-амперной характеристики источника питания. Изготавливают сопротивление из толстой (диаметром 5-10 мм) проволоки из нихрома. В качестве пассивного элемента применяются мощные проволочные сопротивления.

Для регулировки тока вместо сопротивления ставят и дроссель. Благодаря введению индуктивности в цепь дуги переменного тока наблюдается сдвиг фаз тока и напряжения. Переход тока через нуль происходит при высоком напряжении трансформатора, что повышает надежность повторного зажигания и устойчивость горения дуги. Режим сварки становится мягкий, в результате чего получаем равномерный и качественный шов.

Этот способ нашел широкое распространение благодаря надежности, доступности в изготовлении и низкой стоимости. К недостаткам отнесем малый диапазон регулирования и сложность в перестройке параметров. Сделать такую конструкцию по силам каждому. Часто применяют трансформаторы типа ТС-180 или ТС-250 от старых ламповых телевизоров, с которых убирают первичные и вторичные обмотки и наматывают дроссельную обмотку с требуемым сечением. Сечение алюминиевого провода составит порядка 35-40 мм, медного – до 25 мм. Количество витков будет находиться в диапазоне 25-40 штук.

Вернуться к оглавлению

Переключение числа обмоток

Регулировка напряжения осуществляется изменением числа витков обмотки. Так изменяется коэффициент трансформации. Регулятор сварочного тока прост в эксплуатации. Для такого способа регулировки необходимо сделать отводы при намотке. Коммутация проводится переключателем, выдерживающим большой ток и сетевое напряжение. Недостатки переключения витков: трудно найти коммутатор, выдерживающий нагрузку в пару сотен ампер, небольшой диапазон регулировки тока.

Вернуться к оглавлению

Магнитный поток сердечника

Влиять на параметры тока можно магнитным потоком силового трансформатора. Регулирование силы сварочного тока производят за счет подвижности обмоток, изменения зазора или введения магнитного шунта. При сокращении или увеличении расстояния магнитные потоки двух обмоток меняются, в результате чего сила тока тоже будет изменяться. Способ магнитного потока практически не используется из-за сложности изготовления трансформаторного сердечника.

Вернуться к оглавлению

Полупроводники в схеме регулировки тока

Рисунок 1. Схема регулятора сварочного тока.

Полупроводниковые приборы совершили настоящий прорыв в сварочном деле. Современная схемотехника позволяет использовать мощные полупроводниковые ключи. Особенно распространены тиристорные схемы регулировки сварочного тока. Применение полупроводниковых приборов вытесняет неэффективные схемы управления. Данные решения повышают пределы регулировки тока. Габаритные и тяжелые сварочные трансформаторы, содержащие огромное количество дорогой меди, заменены на легкие и компактные.

Электронный тиристорный регулятор – это электронная схема, необходимая для контроля и настройки напряжения и силы тока, которые подводятся к электроду в месте сварки.

Для примера рассмотрим регулятор на тиристорах. Схема регулятора сварочного тока представлена на рис. 1.

В основу схемы положен принцип фазового регулятора тока.

Регулировка осуществляется подачей управляющего напряжения на твердотельные реле – тиристоры. Тиристоры VS1 и VS2 открываются поочередно при поступлении сигналов на управляющие электроды. Напряжение питания схемы формирования управляющих импульсов снимается с отдельной обмотки. Далее преобразуется в постоянное напряжение диодным мостом на VD5-VD8.

Положительная полуволна заряжает емкость С1. Время заряда электролитического конденсатора формируется резисторами R1, R2. Когда напряжение достигнет необходимой величины (более 5,6 В), происходит открытие динистора, образованного стабилитроном VD6 и тиристором VS3. Далее сигнал проходит через диод VD3 или VD4. При положительной полуволне открывается тиристор VS1, при отрицательной – VS2. Конденсатор С1 разрядится. После начала следующего полупериода тиристор VS1 закрывается, происходит зарядка емкости. В этот момент открывается ключ VS2, который продолжает подачу напряжения на электрическую дугу.

Наладка сводится к установке диапазона сварочного тока подстроечным сопротивлением R1. Как видим, схема регулировки сварочного тока довольно-таки проста. Доступность элементной базы, простота наладки и управления регулятора допускают изготовление такого сварочного аппарата самостоятельно.

Вернуться к оглавлению

Инверторные сварочные аппараты

Устройство инверторного сварочного аппарата.

Особое место среди сварочного оборудования занимают инверторы. Инверторный сварочный аппарат – это устройство, которое способно обеспечить устойчивое питание сварочной дуги. Малые габариты и небольшой вес придают аппарату мобильность. Сильной стороной инвертора является возможность применять электроды переменного и постоянного тока. Сварка позволяет стыковать цветные металлы и чугун.

Главные преимущества использования инвертора:

  • защита от нагрева деталей;
  • устойчивость к возмущениям сети;
  • независимость от колебаний и перегрузок по току;
  • независимость от перепадов промышленной сети;
  • способность скреплять цветной металл;
  • стабильность сварочного тока;
  • качественный шов;
  • ровное горение дуги;
  • малый вес и габариты.

К недостаткам сварочных инверторов относят высокую стоимость. Электронные детали следует оберегать от воздействия влаги, пыли, жары и сильных морозов (ниже 15оС).

Инверторное сварочное оборудование сегодня присутствует практически во всех слесарных и авторемонтных мастерских.

Как работает тиристорная схема »Электроника

Существует множество схем тиристоров / тиристоров, которые могут управлять как постоянным, так и переменным током - часто в цепях управления переменным током используется разность фаз на затворе для управления уровнем тока.


Конструкция схемы тиристора Включает:
Праймер для разработки схемы тиристора Схема работы Конструкция цепи запуска / запуска Лом перенапряжения Цепи симистора


Тиристорные цепи SCR широко используются для управления мощностью как в системах постоянного, так и переменного тока.В схемах используется множество различных методов для управления потоком тока нагрузки, но все они требуют, чтобы затвор сработал и напряжение на аноде с катода было снято, чтобы остановить ток. Понимание того, как работают схемы тиристоров / тиристоров, упрощает их проектирование.

Во многих схемах тиристоров переменного тока и SCR используется переменная разность фаз сигнала, создаваемого на затворе, для управления частью формы волны, по которой проводит тиристор. Этот тип схемы относительно легко спроектировать и построить.

Тиристор постоянного тока / цепь SCR

Существует множество приложений, в которых цепь SCR требуется для управления работой нагрузки постоянного тока. Это может использоваться для двигателей постоянного тока, ламп или любой другой нагрузки, требующей переключения.

Базовая схема SCR, приведенная ниже, может управлять мощностью нагрузки с помощью небольшого переключателя, чтобы инициировать подачу питания на нагрузку.

Базовая схема тиристора постоянного тока / тиристора

Первоначально, когда S1 замкнут, а S2 разомкнут, ток не течет.Только когда S2 замкнут и запускает затвор, вызывая протекание тока затвора, схема SCR включается и ток течет в нагрузке.

Ток будет продолжать течь, пока не будет прервана анодная цепь. Это можно сделать с помощью S1. Альтернативный метод состоит в том, чтобы поместить переключатель S1 на тиристор, и, мгновенно замкнув его, напряжение на тиристоре исчезнет, ​​и тиристор перестанет проводить.

В результате их функций в этой схеме SCR S1 может называться выключателем, а S2 - выключателем.В этой конфигурации S1 должен иметь возможность проводить ток полной нагрузки, в то время как S2 должен иметь возможность проводить ток затвора. Как только тиристор включен, переключатель можно отпустить и оставить в разомкнутом состоянии, поскольку действие тиристора поддерживает ток через устройство и, следовательно, нагрузку.

Резистор R1 подключает затвор к питанию через переключатель. Когда переключатель S2 замкнут, ток проходит через резистор, попадает в затвор и включает тиристор. Резистор R1 должен быть рассчитан на обеспечение достаточного тока затвора для включения цепи SCR.

R2 включен для снижения чувствительности SCR, чтобы он не срабатывал при возникновении любых шумов.

Базовая схема тиристора переменного тока / тиристора

При использовании переменного тока с тиристорной схемой необходимо внести несколько изменений, как показано ниже.

Причина этого заключается в том, что сила переменного тока меняет полярность в течение цикла. Это означает, что SCR станет смещенным в обратном направлении, эффективно уменьшая анодное напряжение до нуля, вызывая его отключение в течение одной половины каждого цикла.В результате отпадает необходимость в выключателе, поскольку это достигается при использовании источника переменного тока.

Базовая схема тиристора переменного тока / тиристора

Работа схемы немного отличается от схемы тиристора постоянного тока. Когда переключатель включен, схеме нужно будет дождаться, пока не появится достаточное анодное напряжение, пока форма волны переменного тока продвигается вдоль своего пути. Кроме того, схеме SCR потребуется дождаться, пока напряжение в секции затвора схемы не сможет обеспечить достаточный ток для запуска SCR. Для этого переключатель должен находиться в закрытом положении.

После срабатывания SCR останется в проводящем состоянии в течение положительной половины цикла. По мере падения напряжения наступит момент, когда напряжение на аноде и катоде окажется недостаточным для поддержания проводимости. На этом этапе SCR перестанет проводить.

Тогда в течение отрицательной половины цикла SCR не будет работать. Только когда вернется следующая положительная половина цикла, процесс повторится.

В результате эта цепь будет работать только тогда, когда переключатель ворот находится в закрытом положении.

Одна из проблем с использованием схемы SCR такого типа заключается в том, что она не может подавать более 50% мощности на нагрузку, потому что она не проводит ток в течение отрицательной половины цикла переменного тока, поскольку SCR имеет обратное смещение.

AC SCR цепь с контролем фазы затвора

Можно контролировать количество энергии, поступающей на нагрузку, изменяя долю полупериода, в течение которого проводит SCR. Это может быть достигнуто с помощью схемы SCR, которая включает управление фазой входного стробирующего сигнала.

Формы сигналов тиристорной цепи переменного тока

Используя схему SCR с фазовым управлением, можно увидеть, что сигнал затвора SCR получается из RC-цепи, состоящей из R1, VR1 и C1 перед диодом D1.

Как и в случае с базовой схемой тринистора переменного тока, интерес представляет только положительный полупериод сигнала, поскольку тиристор смещен в прямом направлении. В течение этого полупериода конденсатор C1 заряжается через цепь резисторов, состоящую из R1 и VR1, от напряжения питания переменного тока. Видно, что форма волны на положительном конце C1 отстает от формы входной волны, и затвор срабатывает только тогда, когда напряжение на верхнем конце конденсатора поднимается достаточно, чтобы запустить SCR через D1.В результате точка включения для SCR задерживается по сравнению с той, которая обычно имела бы место, если бы RC-сеть отсутствовала. Установка значения VR1 изменяет задержку и, следовательно, пропорцию цикла, в которой работает SCR. Таким образом можно регулировать мощность нагрузки.

Схема тиристора переменного тока с управлением фазой затвора

Включен последовательный резистор R1, чтобы ограничить минимальное значение для цепи резисторов до значения, которое обеспечит приемлемый уровень тока затвора для SCR.

Как правило, чтобы обеспечить полный контроль над 50% цикла, доступного для проведения с помощью SCR, фазовый угол сигнала затвора должен изменяться от 0 ° до 180 °.

Эти схемы дают некоторые из основных концепций, лежащих в основе проектирования схем тиристоров / тиристоров. Они демонстрируют основные операции того, как они работают и как их можно использовать.

Одна из основных проблем, о которых следует помнить при проектировании тиристорных схем, - это рассеиваемая мощность. Поскольку эти схемы часто работают с высоким напряжением и высокими уровнями мощности, рассеяние мощности может быть основным фактором в конструкции и работе схемы.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем. . .

Как работают тиристоры? | Сравнение тиристоров и транзисторов

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 11 апреля 2020 г.

Транзисторы - крошечные электронные компоненты которые изменили мир: вы найдете их в все от калькуляторов и компьютеры для телефоны, радио и слуховые аппараты. Они удивительно универсальны, но это не значит, что они могут все. Хотя мы можем использовать их для включения крошечных электрических токов и выключен (это основной принцип компьютерной памяти), и преобразовать небольшие токи в несколько большие (вот как усилитель работает), они не очень полезны в обращении гораздо большие токи.Еще один недостаток - они отключаются все вместе, как только ток переключения снят, что означает они не так полезны в устройствах, таких как будильники, где вы хотите цепь для срабатывания и остается включенной неопределенно долго. Для такого рода работ мы можем обратиться к похожему электронному компоненту, называемому тиристор, имеющий общие черты с диоды, резисторы, и транзисторы. Триристоры довольно легко понять, хотя большинство объяснений, которые вы найдете в Интернете, излишне сложный и часто невероятно запутанный.Итак, это наш старт точка: давайте посмотрим, сможем ли мы ясно и просто взглянуть на то, что тиристоры, как они работают, и какие вещи, для которых мы можем их использовать!

Изображение: Типичный тиристор немного похож на транзистор - и работает в близкородственный способ.

Что такое тиристоры?

Во-первых, давайте разберемся с терминологией. Некоторые люди используйте термин кремниевый выпрямитель (SCR) взаимозаменяемо с «тиристором». Фактически, кремниевый выпрямитель - это торговая марка, которую компания General Electric представила опишите один конкретный тип тиристора, который он сделал.Есть различные другие типы тиристоров (в том числе называемые диаки и симисторы, которые предназначены для работы с переменным током), поэтому условия не полностью синоним. Тем не менее, эта статья о хранении вещей просто, поэтому поговорим о тиристорах в самом общем виде термины и предполагают, что SCR - это одно и то же. Мы будем называть их тиристорами.

Фото: Тиристоры широко используются в электронных схемах управления мощностью, подобных этому.

Три соединения

Так что же такое тиристор? Это электронный компонент с тремя выводами, называемый анодом (положительный вывод), катод (отрицательный вывод) и затвор. Это несколько аналогичные к трем выводам транзистора, которые, как вы помните, называются эмиттер, коллектор и база (для обычного транзистора) или исток, сток и затвор (в полевом транзисторе или FET). В обычном транзисторе один из трех выводов (база) действует как элемент управления, который регулирует, сколько тока течет между другими два отведения.То же самое и с тиристором: затвор управляет ток, протекающий между анодом и катодом. (Стоит отметить, что можно получить триисторы с двумя или четырьмя выводами, а также с тремя выводами. Но мы сохраняем здесь все просто, поэтому мы просто поговорим о наиболее распространенной разновидности.)

Сравнение транзисторов и тиристоров

Если транзистор и тиристор выполняют одну и ту же работу, какая между ними разница? С транзистором, когда маленький ток течет в базу, это делает больший ток между эмиттер и коллектор. Другими словами, он действует как переключатель и усилитель одновременно:

Как работает транзистор: небольшой ток, протекающий в базу, вызывает больший ток между эмиттером и коллектором. Это транзистор n-p-n, красный - кремний n-типа, синий - p-тип, черные точки - электроны, белые - дырки.

То же самое происходит внутри полевого транзистора, за исключением того, что мы прикладываем небольшое напряжение к затвору, чтобы произвести электрическое поле, которое помогает току течь от источника к осушать.Если мы удалим малый ток в базе (или затворе), большой ток немедленно перестает течь от эмиттера к коллектору (или от истока к стоку в полевом транзисторе).

Часто это не то, чего мы хотим. В что-то вроде цепи охранной сигнализации (где, возможно, злоумышленник наступает на нажимную подушечку, и колокольчики начинают звонить), мы хотим, чтобы небольшой ток (активируется нажимной подушкой) для отключения большего ток (звон колокольчиков) и чтобы больший ток продолжал течь даже когда меньший ток прекращается (так что колокола все еще звонят, даже если наш незадачливый злоумышленник осознает свою ошибку и отходит от площадки). В тиристоре это именно то, что происходит. Небольшой ток на затворе вызывает много больший ток между анодом и катодом. Но даже если мы тогда удалите ток затвора, больший ток продолжает течь из анод к катоду. Другими словами, тиристор остается («защелкивается») включенным. и остается в этом состоянии до сброса схемы.

Там, где транзистор обычно имеет дело с крошечными электронными токи (миллиампер) тиристор выдерживает настоящие (электрические) силовые токи (обычно несколько сотен вольт и 5–10 ампер).Вот почему мы можем использовать их в таких вещах, как заводские выключатели питания, регуляторы скорости электродвигателей, бытовые диммеры, выключатели зажигания автомобилей, сетевые фильтры и термостаты. Время переключения практически мгновенно (измеряется в микросекундах), и эта полезная функция, в сочетании с отсутствием движущихся частей и высокой надежностью, поэтому часто используются тиристоры. как электронные (твердотельные) версии реле (переключатели электромагнитные).

Как работает тиристор?

Тиристоры являются логическим продолжением диодов и транзисторы, поэтому давайте кратко рассмотрим эти компоненты. Если вы не знакомы с твердотельной электроникой, у нас больше и более четкие объяснения того, как работают диоды и и как работают транзисторы, которую вы, возможно, захотите прочитать в первую очередь.

Тиристор как два диода

Напомним, что диод - это два слоя полупроводника. (p-тип и n-тип) зажаты вместе, чтобы создать соединение где происходят интересные вещи. В зависимости от того, как вы подключаете диод, ток либо будет течь через него, либо нет, что делает его электронный эквивалент улицы с односторонним движением.С положительной связью к p-типу (синий) и отрицательному соединению к n-типу (красный) диод смещение вперед, поэтому электроны (черные точки) и дыры (белые точки) перемещаются к счастью через переход и нормальный ток течет:

Диод с прямым смещением: через переход между p-типом (синий) и n-типом (красный) протекает ток, переносимый электронами (черные точки) и дырками (белые точки).

В противоположной конфигурации, с плюсовым подключением к n-типу и отрицательный к p-типу, диод имеет обратное смещение: соединение становится огромной пропастью, которую электроны и дырки не могут пересечь и нет тока:

Диод с обратным смещением: при обратном подключении батареи «зона истощения» на стыке становится шире, поэтому ток не течет.

В транзисторе есть три слоя полупроводника, расположенных попеременно (p-n-p или n-p-n), что дает два перекрестка, где могут происходить интересные вещи. (Полевой транзистор немного разные, с дополнительными слоями металла и оксида, но все же по сути, бутерброд n-p-n или p-n-p.). Тиристор - это просто следующий шаг в последовательность: четыре слоя полупроводника, снова расположенные попеременно дайте нам p-n-p-n (или n-p-n-p, если вы поменяете местами) с тремя переходы между ними. Анод соединяется с внешним слоем p, катод к внешнему n слою, а затвор к внутреннему p слой, например:

Тиристор похож на два соединенных диода, соединенных вместе, но с дополнительным подключением к одному из внутренних слоев - «затвору».«

Вы можете видеть, что это напоминает два соединительных диода, соединенных последовательно, но с дополнительным соединением затвора внизу. Тиристор, как и диод, является выпрямителем: он проводит только в одном направлении. Вы не можете сделать тиристор, просто подключив два диода последовательно: дополнительное соединение затвора означает, что это еще не все. Если вы хорошо знакомы с электроникой, вы заметите сходство между тиристором и диодом Шокли (своего рода двойной диод с четыре чередующихся полупроводниковых слоя, изобретенные пионером транзисторов Уильямом Шокли в 1956 г.).Тиристоры произошли от работы транзисторов и диодов Шокли, который был разработан Джуэллом Джеймсом Эберсом, кто разработал двухтранзисторную модель, о которой мы расскажем дальше.

Тиристор как два транзистора

Менее очевидно то, что четыре слоя работают как два транзисторы (n-p-n и p-n-p), которые соединены вместе, так что выход из одного формирует вход в другой. Ворота служат как своего рода «стартер» для их активации.

Тиристор также похож на два транзистора, соединенных вместе, поэтому выход каждого из них служит входом для другого.

Три состояния тиристора

Так как же это работает? Мы можем перевести его в три возможных состояния, во всех трех из которых он либо полностью выключен, либо полностью включен, что означает, что это, по сути, двоичное цифровое устройство. Чтобы понять, как работают эти состояния, полезно помнить о диодах и транзисторах:

Прямая блокировка

Обычно, когда ток не течет в затвор, тиристор выключен: ток не может течь из анод к катоду.Почему? Представьте тиристор как два соединенных диода. вместе. Верхний и нижний диоды смещены в прямом направлении. Однако это означает, что соединение в центре имеет обратное смещение, поэтому ток не может пройти весь путь сверху вниз. Это состояние называется вперед блокировка. Хотя это похоже на прямое смещение в обычном диоде, ток не течет.

Блокировка обратного хода

Предположим, мы поменяем местами соединения анод / катод. Теперь вы, вероятно, видите, что оба верхний и нижний диоды имеют обратное смещение, поэтому ток через тиристор по-прежнему не течет.Это называется обратной блокировкой (аналогично обратному смещению в простом диоде).

Форвардное ведение

Третье состояние действительно интересно. Нам нужно, чтобы анод был положительный и отрицательный катод. Затем, когда ток течет в затвор, он включает нижний транзистор, который включает верхний, который включает нижний и так далее. Каждый транзистор активирует другой. Мы можем рассматривать это как своего рода внутреннюю положительную обратную связь, в которой два транзистора продолжают подавать ток друг другу. пока они оба не будут полностью активированы, после чего через них может течь ток. как от анода к катоду.Это состояние называется прямым ведением, и именно так тиристор "защелкивается" (остается постоянно) включенным. После фиксации тиристора на таком, его нельзя выключить, просто сняв ток с затвор: в этот момент ток затвора не имеет значения - и вы должны прервать основной ток, протекающий от анода к катод, часто отключая питание всей цепи. Не следите за этим? Посмотрите на анимацию в поле ниже, я надеюсь, вам будет понятно.

Типы тиристоров

Несколько упрощенно, вот в чем суть того, как тиристор работает.Есть множество вариантов, в том числе устройства отключения ворот (GTO) (который может быть включен или выключен действием затвора), AGT (тиристор с анодным затвором) устройства, которые имеют затвор, идущий во внутренний слой n-типа около анода (вместо слоя p-типа около катода), фотоэлектрические тиристоры, в которых база активируется светом, и все другие виды. Но все они работают примерно одинаково, с затвором, отключающим один транзистор, который затем отключает другой.

Узнать больше

На этом сайте

Вам могут понравиться эти другие статьи на нашем сайте по схожей тематике:

Книги

Блоки тиристоров

Не беспокойтесь, что эти книги «старые»: вообще говоря, физика полупроводников никогда не устаревает.

  • Данные по тиристорному устройству: Motorola, 1988. Подробный сборник технических данных и многое другое.
  • Физика тиристоров Адольф Блихер, Springer, 1976. Подробный взгляд на физику твердого тела тиристоров. Вы можете прочитать весь текст в Интернете, если «позаимствуете» книгу виртуально из Интернет-архива.
  • 110 Проекты тиристоров автор R.M. Marston, Newnes, 1972. Огромная коллекция практичных тиристорных схем, включая проекты переключения мощности, сигнализации, схемы с выдержкой времени, контроллеры ламп, контроллеры нагревателей и контроллеры двигателей.
  • Руководство по выпрямителю с кремниевым управлением от General Electric, 1964 г. Это исчерпывающее (400 страниц) руководство по тиристорам собственной марки GE.
Учебники общеобразовательные

Статьи

  • Как Б. Джаянт Балига преобразовал силовые полупроводники Дэвида Шнайдера. IEEE Spectrum, 27 апреля 2014 г. Празднование работы Б. Джаянта Балиги, лауреата Почетной медали IEEE 2014 г., в разработке тиристоров и других силовых полупроводников.
  • Попробуйте симистор Чарльза Платта.Make, 10 января 2014 г. Узнайте о симисторах из этого практического светодиодного проекта.
  • Кремниевый переключатель p-n-p-n и управляемый выпрямитель (тиристор). Автор Ник Холоняк-младший. IEEE Transactions on Power Electronics, январь 2001 г., том 16, выпуск 1, стр. 8–16. Эта интересная статья (изобретателя светодиода) описывает историческое развитие тиристоров Уильямом Шокли, Джимом Эберсом и другими.
  • Ранняя история силовых полупроводников в GE: Музей полупроводников представляет раннюю историю кремниевого управляемого выпрямителя, рассказанную в устной истории одним из его пионеров Ф. В. «Билл» Гуцвиллер.

Патенты

Как работают тиристоры? | Сравнение тиристоров и транзисторов

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 11 апреля 2020 г.

Транзисторы - крошечные электронные компоненты которые изменили мир: вы найдете их в все от калькуляторов и компьютеры для телефоны, радио и слуховые аппараты. Они удивительно универсальны, но это не значит, что они могут все. Хотя мы можем использовать их для включения крошечных электрических токов и выключен (это основной принцип компьютерной памяти), и преобразовать небольшие токи в несколько большие (вот как усилитель работает), они не очень полезны в обращении гораздо большие токи.Еще один недостаток - они отключаются все вместе, как только ток переключения снят, что означает они не так полезны в устройствах, таких как будильники, где вы хотите цепь для срабатывания и остается включенной неопределенно долго. Для такого рода работ мы можем обратиться к похожему электронному компоненту, называемому тиристор, имеющий общие черты с диоды, резисторы, и транзисторы. Триристоры довольно легко понять, хотя большинство объяснений, которые вы найдете в Интернете, излишне сложный и часто невероятно запутанный.Итак, это наш старт точка: давайте посмотрим, сможем ли мы ясно и просто взглянуть на то, что тиристоры, как они работают, и какие вещи, для которых мы можем их использовать!

Изображение: Типичный тиристор немного похож на транзистор - и работает в близкородственный способ.

Что такое тиристоры?

Во-первых, давайте разберемся с терминологией. Некоторые люди используйте термин кремниевый выпрямитель (SCR) взаимозаменяемо с «тиристором». Фактически, кремниевый выпрямитель - это торговая марка, которую компания General Electric представила опишите один конкретный тип тиристора, который он сделал.Есть различные другие типы тиристоров (в том числе называемые диаки и симисторы, которые предназначены для работы с переменным током), поэтому условия не полностью синоним. Тем не менее, эта статья о хранении вещей просто, поэтому поговорим о тиристорах в самом общем виде термины и предполагают, что SCR - это одно и то же. Мы будем называть их тиристорами.

Фото: Тиристоры широко используются в электронных схемах управления мощностью, подобных этому.

Три соединения

Так что же такое тиристор? Это электронный компонент с тремя выводами, называемый анодом (положительный вывод), катод (отрицательный вывод) и затвор. Это несколько аналогичные к трем выводам транзистора, которые, как вы помните, называются эмиттер, коллектор и база (для обычного транзистора) или исток, сток и затвор (в полевом транзисторе или FET). В обычном транзисторе один из трех выводов (база) действует как элемент управления, который регулирует, сколько тока течет между другими два отведения.То же самое и с тиристором: затвор управляет ток, протекающий между анодом и катодом. (Стоит отметить, что можно получить триисторы с двумя или четырьмя выводами, а также с тремя выводами. Но мы сохраняем здесь все просто, поэтому мы просто поговорим о наиболее распространенной разновидности.)

Сравнение транзисторов и тиристоров

Если транзистор и тиристор выполняют одну и ту же работу, какая между ними разница? С транзистором, когда маленький ток течет в базу, это делает больший ток между эмиттер и коллектор. Другими словами, он действует как переключатель и усилитель одновременно:

Как работает транзистор: небольшой ток, протекающий в базу, вызывает больший ток между эмиттером и коллектором. Это транзистор n-p-n, красный - кремний n-типа, синий - p-тип, черные точки - электроны, белые - дырки.

То же самое происходит внутри полевого транзистора, за исключением того, что мы прикладываем небольшое напряжение к затвору, чтобы произвести электрическое поле, которое помогает току течь от источника к осушать.Если мы удалим малый ток в базе (или затворе), большой ток немедленно перестает течь от эмиттера к коллектору (или от истока к стоку в полевом транзисторе).

Часто это не то, чего мы хотим. В что-то вроде цепи охранной сигнализации (где, возможно, злоумышленник наступает на нажимную подушечку, и колокольчики начинают звонить), мы хотим, чтобы небольшой ток (активируется нажимной подушкой) для отключения большего ток (звон колокольчиков) и чтобы больший ток продолжал течь даже когда меньший ток прекращается (так что колокола все еще звонят, даже если наш незадачливый злоумышленник осознает свою ошибку и отходит от площадки). В тиристоре это именно то, что происходит. Небольшой ток на затворе вызывает много больший ток между анодом и катодом. Но даже если мы тогда удалите ток затвора, больший ток продолжает течь из анод к катоду. Другими словами, тиристор остается («защелкивается») включенным. и остается в этом состоянии до сброса схемы.

Там, где транзистор обычно имеет дело с крошечными электронными токи (миллиампер) тиристор выдерживает настоящие (электрические) силовые токи (обычно несколько сотен вольт и 5–10 ампер).Вот почему мы можем использовать их в таких вещах, как заводские выключатели питания, регуляторы скорости электродвигателей, бытовые диммеры, выключатели зажигания автомобилей, сетевые фильтры и термостаты. Время переключения практически мгновенно (измеряется в микросекундах), и эта полезная функция, в сочетании с отсутствием движущихся частей и высокой надежностью, поэтому часто используются тиристоры. как электронные (твердотельные) версии реле (переключатели электромагнитные).

Как работает тиристор?

Тиристоры являются логическим продолжением диодов и транзисторы, поэтому давайте кратко рассмотрим эти компоненты. Если вы не знакомы с твердотельной электроникой, у нас больше и более четкие объяснения того, как работают диоды и и как работают транзисторы, которую вы, возможно, захотите прочитать в первую очередь.

Тиристор как два диода

Напомним, что диод - это два слоя полупроводника. (p-тип и n-тип) зажаты вместе, чтобы создать соединение где происходят интересные вещи. В зависимости от того, как вы подключаете диод, ток либо будет течь через него, либо нет, что делает его электронный эквивалент улицы с односторонним движением.С положительной связью к p-типу (синий) и отрицательному соединению к n-типу (красный) диод смещение вперед, поэтому электроны (черные точки) и дыры (белые точки) перемещаются к счастью через переход и нормальный ток течет:

Диод с прямым смещением: через переход между p-типом (синий) и n-типом (красный) протекает ток, переносимый электронами (черные точки) и дырками (белые точки).

В противоположной конфигурации, с плюсовым подключением к n-типу и отрицательный к p-типу, диод имеет обратное смещение: соединение становится огромной пропастью, которую электроны и дырки не могут пересечь и нет тока:

Диод с обратным смещением: при обратном подключении батареи «зона истощения» на стыке становится шире, поэтому ток не течет.

В транзисторе есть три слоя полупроводника, расположенных попеременно (p-n-p или n-p-n), что дает два перекрестка, где могут происходить интересные вещи. (Полевой транзистор немного разные, с дополнительными слоями металла и оксида, но все же по сути, бутерброд n-p-n или p-n-p.). Тиристор - это просто следующий шаг в последовательность: четыре слоя полупроводника, снова расположенные попеременно дайте нам p-n-p-n (или n-p-n-p, если вы поменяете местами) с тремя переходы между ними. Анод соединяется с внешним слоем p, катод к внешнему n слою, а затвор к внутреннему p слой, например:

Тиристор похож на два соединенных диода, соединенных вместе, но с дополнительным подключением к одному из внутренних слоев - «затвору».«

Вы можете видеть, что это напоминает два соединительных диода, соединенных последовательно, но с дополнительным соединением затвора внизу. Тиристор, как и диод, является выпрямителем: он проводит только в одном направлении. Вы не можете сделать тиристор, просто подключив два диода последовательно: дополнительное соединение затвора означает, что это еще не все. Если вы хорошо знакомы с электроникой, вы заметите сходство между тиристором и диодом Шокли (своего рода двойной диод с четыре чередующихся полупроводниковых слоя, изобретенные пионером транзисторов Уильямом Шокли в 1956 г.).Тиристоры произошли от работы транзисторов и диодов Шокли, который был разработан Джуэллом Джеймсом Эберсом, кто разработал двухтранзисторную модель, о которой мы расскажем дальше.

Тиристор как два транзистора

Менее очевидно то, что четыре слоя работают как два транзисторы (n-p-n и p-n-p), которые соединены вместе, так что выход из одного формирует вход в другой. Ворота служат как своего рода «стартер» для их активации.

Тиристор также похож на два транзистора, соединенных вместе, поэтому выход каждого из них служит входом для другого.

Три состояния тиристора

Так как же это работает? Мы можем перевести его в три возможных состояния, во всех трех из которых он либо полностью выключен, либо полностью включен, что означает, что это, по сути, двоичное цифровое устройство. Чтобы понять, как работают эти состояния, полезно помнить о диодах и транзисторах:

Прямая блокировка

Обычно, когда ток не течет в затвор, тиристор выключен: ток не может течь из анод к катоду.Почему? Представьте тиристор как два соединенных диода. вместе. Верхний и нижний диоды смещены в прямом направлении. Однако это означает, что соединение в центре имеет обратное смещение, поэтому ток не может пройти весь путь сверху вниз. Это состояние называется вперед блокировка. Хотя это похоже на прямое смещение в обычном диоде, ток не течет.

Блокировка обратного хода

Предположим, мы поменяем местами соединения анод / катод. Теперь вы, вероятно, видите, что оба верхний и нижний диоды имеют обратное смещение, поэтому ток через тиристор по-прежнему не течет.Это называется обратной блокировкой (аналогично обратному смещению в простом диоде).

Форвардное ведение

Третье состояние действительно интересно. Нам нужно, чтобы анод был положительный и отрицательный катод. Затем, когда ток течет в затвор, он включает нижний транзистор, который включает верхний, который включает нижний и так далее. Каждый транзистор активирует другой. Мы можем рассматривать это как своего рода внутреннюю положительную обратную связь, в которой два транзистора продолжают подавать ток друг другу. пока они оба не будут полностью активированы, после чего через них может течь ток. как от анода к катоду.Это состояние называется прямым ведением, и именно так тиристор "защелкивается" (остается постоянно) включенным. После фиксации тиристора на таком, его нельзя выключить, просто сняв ток с затвор: в этот момент ток затвора не имеет значения - и вы должны прервать основной ток, протекающий от анода к катод, часто отключая питание всей цепи. Не следите за этим? Посмотрите на анимацию в поле ниже, я надеюсь, вам будет понятно.

Типы тиристоров

Несколько упрощенно, вот в чем суть того, как тиристор работает.Есть множество вариантов, в том числе устройства отключения ворот (GTO) (который может быть включен или выключен действием затвора), AGT (тиристор с анодным затвором) устройства, которые имеют затвор, идущий во внутренний слой n-типа около анода (вместо слоя p-типа около катода), фотоэлектрические тиристоры, в которых база активируется светом, и все другие виды. Но все они работают примерно одинаково, с затвором, отключающим один транзистор, который затем отключает другой.

Узнать больше

На этом сайте

Вам могут понравиться эти другие статьи на нашем сайте по схожей тематике:

Книги

Блоки тиристоров

Не беспокойтесь, что эти книги «старые»: вообще говоря, физика полупроводников никогда не устаревает.

  • Данные по тиристорному устройству: Motorola, 1988. Подробный сборник технических данных и многое другое.
  • Физика тиристоров Адольф Блихер, Springer, 1976. Подробный взгляд на физику твердого тела тиристоров. Вы можете прочитать весь текст в Интернете, если «позаимствуете» книгу виртуально из Интернет-архива.
  • 110 Проекты тиристоров автор R.M. Marston, Newnes, 1972. Огромная коллекция практичных тиристорных схем, включая проекты переключения мощности, сигнализации, схемы с выдержкой времени, контроллеры ламп, контроллеры нагревателей и контроллеры двигателей.
  • Руководство по выпрямителю с кремниевым управлением от General Electric, 1964 г. Это исчерпывающее (400 страниц) руководство по тиристорам собственной марки GE.
Учебники общеобразовательные

Статьи

  • Как Б. Джаянт Балига преобразовал силовые полупроводники Дэвида Шнайдера. IEEE Spectrum, 27 апреля 2014 г. Празднование работы Б. Джаянта Балиги, лауреата Почетной медали IEEE 2014 г., в разработке тиристоров и других силовых полупроводников.
  • Попробуйте симистор Чарльза Платта.Make, 10 января 2014 г. Узнайте о симисторах из этого практического светодиодного проекта.
  • Кремниевый переключатель p-n-p-n и управляемый выпрямитель (тиристор). Автор Ник Холоняк-младший. IEEE Transactions on Power Electronics, январь 2001 г., том 16, выпуск 1, стр. 8–16. Эта интересная статья (изобретателя светодиода) описывает историческое развитие тиристоров Уильямом Шокли, Джимом Эберсом и другими.
  • Ранняя история силовых полупроводников в GE: Музей полупроводников представляет раннюю историю кремниевого управляемого выпрямителя, рассказанную в устной истории одним из его пионеров Ф. В. «Билл» Гуцвиллер.

Патенты

Как работают тиристоры? | Сравнение тиристоров и транзисторов

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 11 апреля 2020 г.

Транзисторы - крошечные электронные компоненты которые изменили мир: вы найдете их в все от калькуляторов и компьютеры для телефоны, радио и слуховые аппараты. Они удивительно универсальны, но это не значит, что они могут все. Хотя мы можем использовать их для включения крошечных электрических токов и выключен (это основной принцип компьютерной памяти), и преобразовать небольшие токи в несколько большие (вот как усилитель работает), они не очень полезны в обращении гораздо большие токи.Еще один недостаток - они отключаются все вместе, как только ток переключения снят, что означает они не так полезны в устройствах, таких как будильники, где вы хотите цепь для срабатывания и остается включенной неопределенно долго. Для такого рода работ мы можем обратиться к похожему электронному компоненту, называемому тиристор, имеющий общие черты с диоды, резисторы, и транзисторы. Триристоры довольно легко понять, хотя большинство объяснений, которые вы найдете в Интернете, излишне сложный и часто невероятно запутанный.Итак, это наш старт точка: давайте посмотрим, сможем ли мы ясно и просто взглянуть на то, что тиристоры, как они работают, и какие вещи, для которых мы можем их использовать!

Изображение: Типичный тиристор немного похож на транзистор - и работает в близкородственный способ.

Что такое тиристоры?

Во-первых, давайте разберемся с терминологией. Некоторые люди используйте термин кремниевый выпрямитель (SCR) взаимозаменяемо с «тиристором». Фактически, кремниевый выпрямитель - это торговая марка, которую компания General Electric представила опишите один конкретный тип тиристора, который он сделал.Есть различные другие типы тиристоров (в том числе называемые диаки и симисторы, которые предназначены для работы с переменным током), поэтому условия не полностью синоним. Тем не менее, эта статья о хранении вещей просто, поэтому поговорим о тиристорах в самом общем виде термины и предполагают, что SCR - это одно и то же. Мы будем называть их тиристорами.

Фото: Тиристоры широко используются в электронных схемах управления мощностью, подобных этому.

Три соединения

Так что же такое тиристор? Это электронный компонент с тремя выводами, называемый анодом (положительный вывод), катод (отрицательный вывод) и затвор. Это несколько аналогичные к трем выводам транзистора, которые, как вы помните, называются эмиттер, коллектор и база (для обычного транзистора) или исток, сток и затвор (в полевом транзисторе или FET). В обычном транзисторе один из трех выводов (база) действует как элемент управления, который регулирует, сколько тока течет между другими два отведения.То же самое и с тиристором: затвор управляет ток, протекающий между анодом и катодом. (Стоит отметить, что можно получить триисторы с двумя или четырьмя выводами, а также с тремя выводами. Но мы сохраняем здесь все просто, поэтому мы просто поговорим о наиболее распространенной разновидности.)

Сравнение транзисторов и тиристоров

Если транзистор и тиристор выполняют одну и ту же работу, какая между ними разница? С транзистором, когда маленький ток течет в базу, это делает больший ток между эмиттер и коллектор. Другими словами, он действует как переключатель и усилитель одновременно:

Как работает транзистор: небольшой ток, протекающий в базу, вызывает больший ток между эмиттером и коллектором. Это транзистор n-p-n, красный - кремний n-типа, синий - p-тип, черные точки - электроны, белые - дырки.

То же самое происходит внутри полевого транзистора, за исключением того, что мы прикладываем небольшое напряжение к затвору, чтобы произвести электрическое поле, которое помогает току течь от источника к осушать.Если мы удалим малый ток в базе (или затворе), большой ток немедленно перестает течь от эмиттера к коллектору (или от истока к стоку в полевом транзисторе).

Часто это не то, чего мы хотим. В что-то вроде цепи охранной сигнализации (где, возможно, злоумышленник наступает на нажимную подушечку, и колокольчики начинают звонить), мы хотим, чтобы небольшой ток (активируется нажимной подушкой) для отключения большего ток (звон колокольчиков) и чтобы больший ток продолжал течь даже когда меньший ток прекращается (так что колокола все еще звонят, даже если наш незадачливый злоумышленник осознает свою ошибку и отходит от площадки). В тиристоре это именно то, что происходит. Небольшой ток на затворе вызывает много больший ток между анодом и катодом. Но даже если мы тогда удалите ток затвора, больший ток продолжает течь из анод к катоду. Другими словами, тиристор остается («защелкивается») включенным. и остается в этом состоянии до сброса схемы.

Там, где транзистор обычно имеет дело с крошечными электронными токи (миллиампер) тиристор выдерживает настоящие (электрические) силовые токи (обычно несколько сотен вольт и 5–10 ампер).Вот почему мы можем использовать их в таких вещах, как заводские выключатели питания, регуляторы скорости электродвигателей, бытовые диммеры, выключатели зажигания автомобилей, сетевые фильтры и термостаты. Время переключения практически мгновенно (измеряется в микросекундах), и эта полезная функция, в сочетании с отсутствием движущихся частей и высокой надежностью, поэтому часто используются тиристоры. как электронные (твердотельные) версии реле (переключатели электромагнитные).

Как работает тиристор?

Тиристоры являются логическим продолжением диодов и транзисторы, поэтому давайте кратко рассмотрим эти компоненты. Если вы не знакомы с твердотельной электроникой, у нас больше и более четкие объяснения того, как работают диоды и и как работают транзисторы, которую вы, возможно, захотите прочитать в первую очередь.

Тиристор как два диода

Напомним, что диод - это два слоя полупроводника. (p-тип и n-тип) зажаты вместе, чтобы создать соединение где происходят интересные вещи. В зависимости от того, как вы подключаете диод, ток либо будет течь через него, либо нет, что делает его электронный эквивалент улицы с односторонним движением.С положительной связью к p-типу (синий) и отрицательному соединению к n-типу (красный) диод смещение вперед, поэтому электроны (черные точки) и дыры (белые точки) перемещаются к счастью через переход и нормальный ток течет:

Диод с прямым смещением: через переход между p-типом (синий) и n-типом (красный) протекает ток, переносимый электронами (черные точки) и дырками (белые точки).

В противоположной конфигурации, с плюсовым подключением к n-типу и отрицательный к p-типу, диод имеет обратное смещение: соединение становится огромной пропастью, которую электроны и дырки не могут пересечь и нет тока:

Диод с обратным смещением: при обратном подключении батареи «зона истощения» на стыке становится шире, поэтому ток не течет.

В транзисторе есть три слоя полупроводника, расположенных попеременно (p-n-p или n-p-n), что дает два перекрестка, где могут происходить интересные вещи. (Полевой транзистор немного разные, с дополнительными слоями металла и оксида, но все же по сути, бутерброд n-p-n или p-n-p.). Тиристор - это просто следующий шаг в последовательность: четыре слоя полупроводника, снова расположенные попеременно дайте нам p-n-p-n (или n-p-n-p, если вы поменяете местами) с тремя переходы между ними. Анод соединяется с внешним слоем p, катод к внешнему n слою, а затвор к внутреннему p слой, например:

Тиристор похож на два соединенных диода, соединенных вместе, но с дополнительным подключением к одному из внутренних слоев - «затвору».«

Вы можете видеть, что это напоминает два соединительных диода, соединенных последовательно, но с дополнительным соединением затвора внизу. Тиристор, как и диод, является выпрямителем: он проводит только в одном направлении. Вы не можете сделать тиристор, просто подключив два диода последовательно: дополнительное соединение затвора означает, что это еще не все. Если вы хорошо знакомы с электроникой, вы заметите сходство между тиристором и диодом Шокли (своего рода двойной диод с четыре чередующихся полупроводниковых слоя, изобретенные пионером транзисторов Уильямом Шокли в 1956 г.).Тиристоры произошли от работы транзисторов и диодов Шокли, который был разработан Джуэллом Джеймсом Эберсом, кто разработал двухтранзисторную модель, о которой мы расскажем дальше.

Тиристор как два транзистора

Менее очевидно то, что четыре слоя работают как два транзисторы (n-p-n и p-n-p), которые соединены вместе, так что выход из одного формирует вход в другой. Ворота служат как своего рода «стартер» для их активации.

Тиристор также похож на два транзистора, соединенных вместе, поэтому выход каждого из них служит входом для другого.

Три состояния тиристора

Так как же это работает? Мы можем перевести его в три возможных состояния, во всех трех из которых он либо полностью выключен, либо полностью включен, что означает, что это, по сути, двоичное цифровое устройство. Чтобы понять, как работают эти состояния, полезно помнить о диодах и транзисторах:

Прямая блокировка

Обычно, когда ток не течет в затвор, тиристор выключен: ток не может течь из анод к катоду.Почему? Представьте тиристор как два соединенных диода. вместе. Верхний и нижний диоды смещены в прямом направлении. Однако это означает, что соединение в центре имеет обратное смещение, поэтому ток не может пройти весь путь сверху вниз. Это состояние называется вперед блокировка. Хотя это похоже на прямое смещение в обычном диоде, ток не течет.

Блокировка обратного хода

Предположим, мы поменяем местами соединения анод / катод. Теперь вы, вероятно, видите, что оба верхний и нижний диоды имеют обратное смещение, поэтому ток через тиристор по-прежнему не течет.Это называется обратной блокировкой (аналогично обратному смещению в простом диоде).

Форвардное ведение

Третье состояние действительно интересно. Нам нужно, чтобы анод был положительный и отрицательный катод. Затем, когда ток течет в затвор, он включает нижний транзистор, который включает верхний, который включает нижний и так далее. Каждый транзистор активирует другой. Мы можем рассматривать это как своего рода внутреннюю положительную обратную связь, в которой два транзистора продолжают подавать ток друг другу. пока они оба не будут полностью активированы, после чего через них может течь ток. как от анода к катоду.Это состояние называется прямым ведением, и именно так тиристор "защелкивается" (остается постоянно) включенным. После фиксации тиристора на таком, его нельзя выключить, просто сняв ток с затвор: в этот момент ток затвора не имеет значения - и вы должны прервать основной ток, протекающий от анода к катод, часто отключая питание всей цепи. Не следите за этим? Посмотрите на анимацию в поле ниже, я надеюсь, вам будет понятно.

Типы тиристоров

Несколько упрощенно, вот в чем суть того, как тиристор работает.Есть множество вариантов, в том числе устройства отключения ворот (GTO) (который может быть включен или выключен действием затвора), AGT (тиристор с анодным затвором) устройства, которые имеют затвор, идущий во внутренний слой n-типа около анода (вместо слоя p-типа около катода), фотоэлектрические тиристоры, в которых база активируется светом, и все другие виды. Но все они работают примерно одинаково, с затвором, отключающим один транзистор, который затем отключает другой.

Узнать больше

На этом сайте

Вам могут понравиться эти другие статьи на нашем сайте по схожей тематике:

Книги

Блоки тиристоров

Не беспокойтесь, что эти книги «старые»: вообще говоря, физика полупроводников никогда не устаревает.

  • Данные по тиристорному устройству: Motorola, 1988. Подробный сборник технических данных и многое другое.
  • Физика тиристоров Адольф Блихер, Springer, 1976. Подробный взгляд на физику твердого тела тиристоров. Вы можете прочитать весь текст в Интернете, если «позаимствуете» книгу виртуально из Интернет-архива.
  • 110 Проекты тиристоров автор R.M. Marston, Newnes, 1972. Огромная коллекция практичных тиристорных схем, включая проекты переключения мощности, сигнализации, схемы с выдержкой времени, контроллеры ламп, контроллеры нагревателей и контроллеры двигателей.
  • Руководство по выпрямителю с кремниевым управлением от General Electric, 1964 г. Это исчерпывающее (400 страниц) руководство по тиристорам собственной марки GE.
Учебники общеобразовательные

Статьи

  • Как Б. Джаянт Балига преобразовал силовые полупроводники Дэвида Шнайдера. IEEE Spectrum, 27 апреля 2014 г. Празднование работы Б. Джаянта Балиги, лауреата Почетной медали IEEE 2014 г., в разработке тиристоров и других силовых полупроводников.
  • Попробуйте симистор Чарльза Платта.Make, 10 января 2014 г. Узнайте о симисторах из этого практического светодиодного проекта.
  • Кремниевый переключатель p-n-p-n и управляемый выпрямитель (тиристор). Автор Ник Холоняк-младший. IEEE Transactions on Power Electronics, январь 2001 г., том 16, выпуск 1, стр. 8–16. Эта интересная статья (изобретателя светодиода) описывает историческое развитие тиристоров Уильямом Шокли, Джимом Эберсом и другими.
  • Ранняя история силовых полупроводников в GE: Музей полупроводников представляет раннюю историю кремниевого управляемого выпрямителя, рассказанную в устной истории одним из его пионеров Ф. В. «Билл» Гуцвиллер.

Патенты

Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR) | Тиристоры

Диоды Шокли и выпрямители с кремниевым управлением (SCR)

Диоды Шокли

- любопытные устройства, но их применение весьма ограничено. Однако их полезность можно расширить, оснастив их другим средством фиксации. При этом каждое из них становится настоящим усилительным устройством (хотя бы в режиме включения / выключения), и мы называем их кремниевыми выпрямителями или тиристорами.

Переход от диода Шокли к SCR достигается одним небольшим дополнением, фактически не более чем подключением третьего провода к существующей структуре PNPN: (рисунок ниже)

Кремниевый выпрямитель (SCR)

SCR Проводимость

Если затвор SCR остается плавающим (отключенным), он ведет себя точно так же, как диод Шокли. Он может фиксироваться напряжением размыкания или превышением критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом, как и в случае диода Шокли. Отключение достигается за счет уменьшения тока до тех пор, пока один или оба внутренних транзистора не перейдут в режим отсечки, также как диод Шокли. Однако, поскольку вывод затвора подключается непосредственно к базе нижнего транзистора, его можно использовать в качестве альтернативного средства для фиксации SCR. При приложении небольшого напряжения между затвором и катодом нижний транзистор будет принудительно включаться результирующим током базы, что приведет к тому, что верхний транзистор будет проводить ток, который затем подает ток на базу нижнего транзистора, так что его больше не нужно активировать. напряжением затвора.Необходимый ток затвора для инициирования фиксации, конечно, будет намного ниже, чем ток через SCR от катода к аноду, поэтому SCR действительно достигает некоторой степени усиления.

Запуск / срабатывание

Этот метод обеспечения проводимости SCR называется запуском или срабатыванием, и это, безусловно, наиболее распространенный способ фиксации SCR на практике. Фактически, тиристоры обычно выбираются так, чтобы их напряжение переключения намного превышало максимальное напряжение, которое ожидается от источника питания, поэтому его можно включить только преднамеренным импульсом напряжения, приложенным к затвору.

Обратное срабатывание

Следует упомянуть, что тиристоры иногда могут быть отключены путем прямого замыкания их выводов затвора и катода вместе или путем «обратного запуска» затвора отрицательным напряжением (относительно катода), так что нижний транзистор принудительно запускается. в отсечку. Я говорю, что это «иногда» возможно, потому что при этом весь ток коллектора верхнего транзистора шунтируется через базу нижнего транзистора. Этот ток может быть значительным, что в лучшем случае затрудняет триггерное отключение SCR.Вариант SCR, называемый тиристором с выключенным затвором, или GTO, упрощает эту задачу. Но даже с GTO ток затвора, необходимый для его выключения, может составлять до 20% анодного тока (нагрузки)! Схематический символ GTO показан на следующем рисунке: (Рисунок ниже)

Тиристор выключения затвора (ГТО)

SCR против GTO
SCR

и GTO имеют одинаковую эквивалентную схему (два транзистора, подключенных по принципу положительной обратной связи), единственные отличия заключаются в деталях конструкции, предназначенных для предоставления транзистору NPN большего β, чем PNP. Это позволяет меньшему току затвора (прямому или обратному) оказывать большую степень контроля над проводимостью от катода к аноду, при этом состояние фиксации транзистора PNP в большей степени зависит от NPN, чем наоборот. Тиристор с выключенным затвором также известен под названием Gate-Controlled Switch, или GCS.

Проверка работоспособности тринистора с помощью омметра

Элементарный тест функции SCR или, по крайней мере, идентификация клеммы может быть выполнен с помощью омметра. Поскольку внутреннее соединение между затвором и катодом является одним PN-переходом, измеритель должен показывать непрерывность между этими выводами с помощью красного измерительного провода на затворе и черного измерительного провода на катоде следующим образом: (Рисунок ниже)

Элементарное испытание SCR

Все остальные измерения целостности, выполненные на SCR, будут показывать «разомкнут» («OL» на некоторых дисплеях цифровых мультиметров).Следует понимать, что этот тест является очень грубым и не представляет собой всеобъемлющую оценку SCR. SCR может давать хорошие показания омметра и все же быть неисправным. В конечном счете, единственный способ проверить SCR - подвергнуть его току нагрузки.

Если вы используете мультиметр с функцией «проверки диодов», полученное вами показание напряжения перехода затвор-катод может соответствовать или не соответствовать ожидаемому от кремниевого PN перехода (приблизительно 0,7 В).В некоторых случаях вы увидите гораздо более низкое напряжение перехода: всего сотые доли вольта. Это связано с внутренним резистором, подключенным между затвором и катодом, встроенным в некоторые тиристоры. Этот резистор добавлен, чтобы сделать тиристор менее восприимчивым к ложному срабатыванию из-за паразитных скачков напряжения, «шума» цепи или статического электрического разряда. Другими словами, наличие резистора, подключенного к переходу затвор-катод, требует подачи сильного пускового сигнала (значительного тока) для фиксации тринистора.Эта функция часто встречается в больших SCR, а не в маленьких SCR. Помните, что SCR с внутренним резистором, подключенным между затвором и катодом, будет указывать на непрерывность в обоих направлениях между этими двумя клеммами: (рисунок ниже)

Большие тиристоры имеют резистор затвор-катод.

SCR чувствительного затвора

«Нормальные» тиристоры без этого внутреннего резистора иногда называют чувствительными тиристорами затвора из-за их способности срабатывать при малейшем положительном сигнале затвора.

Испытательная схема для SCR практична как диагностический инструмент для проверки подозрительных SCR, а также является отличным помощником для понимания основных операций SCR. Источник постоянного напряжения используется для питания схемы, а два кнопочных переключателя используются для фиксации и разблокировки тиристора соответственно: (рисунок ниже)

Схема тестирования SCR

При нажатии нормально разомкнутого кнопочного переключателя затвор соединяется с анодом, пропуская ток от положительной клеммы батареи, через нагрузочный резистор, через переключатель, через PN переход катод-затвор и обратно к батарее. .Этот ток затвора должен вынудить SCR зафиксироваться, позволяя току проходить напрямую от анода к катоду без дальнейшего запуска через затвор. Когда кнопка «Вкл» отпущена, нагрузка должна оставаться под напряжением.

Нажатие нормально замкнутого кнопочного переключателя «выключено» разрывает цепь, заставляя ток через тиристор останавливаться, тем самым вынуждая его отключиться (выпадение слабого тока).

Ток удержания

Если SCR не фиксируется, проблема может быть в нагрузке, а не в SCR.Определенная минимальная величина тока нагрузки требуется, чтобы удерживать SCR в зафиксированном состоянии «включено». Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может не потреблять достаточно тока, чтобы удерживать тиристор в защелкивании, когда ток затвора прекращается, что создает ложное впечатление о неисправном (нефиксируемом) тиристоре в тестовой цепи. Значения тока удержания для различных тиристоров должны быть доступны у производителей. Типичные значения тока удержания находятся в диапазоне от 1 мА до 50 мА или более для более крупных устройств.

Для того, чтобы тест был исчерпывающим, необходимо проверить не только запускающее действие. Предел прямого напряжения переключения SCR может быть протестирован путем увеличения напряжения постоянного тока (без нажатия кнопки) до тех пор, пока SCR не зафиксируется сам по себе. Помните, что испытание на отключение может потребовать очень высокого напряжения: многие силовые тиристоры имеют номинальное напряжение отключения 600 вольт или более! Кроме того, если доступен генератор импульсного напряжения, критическая скорость нарастания напряжения для SCR может быть проверена таким же образом: подвергнуть его импульсному напряжению питания с разной скоростью вольт / время без задействованных кнопочных переключателей и посмотреть, когда он защелкнется.

В этой простой форме испытательная схема SCR может быть достаточной в качестве схемы управления пуском / остановом для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки: (рисунок ниже)

Цепь управления пуском / остановом двигателя постоянного тока

Схема «Лом»

Еще одно практическое применение SCR в цепи постоянного тока - это устройство лома для защиты от перенапряжения. Схема «лом» состоит из тиристора, размещенного параллельно с выходом источника питания постоянного тока, для прямого короткого замыкания на выходе этого источника, чтобы предотвратить попадание чрезмерного напряжения на нагрузку.Повреждение SCR и источника питания предотвращается разумным размещением предохранителя или значительным последовательным сопротивлением перед SCR для ограничения тока короткого замыкания: (рисунок ниже)

Цепь лома, используемая в источнике постоянного тока

Некоторые устройства или схемы, измеряющие выходное напряжение, будут подключены к затвору SCR, так что при возникновении состояния перенапряжения между затвором и катодом будет подаваться напряжение, вызывая срабатывание SCR и вынуждая плавкий предохранитель перегореть.Эффект будет примерно таким же, как при падении монолитного стального лома прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и название схемы.

Большинство применений SCR предназначены для управления мощностью переменного тока, несмотря на то, что SCR по своей природе являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если требуется двунаправленный ток в цепи, можно использовать несколько тиристоров, один или несколько тиристоров обращены в каждом направлении для обработки тока через оба полупериода волны переменного тока. Основная причина, по которой тиристоры вообще используются для управления мощностью переменного тока, - это уникальная реакция тиристора на переменный ток.Как мы видели, тиратронная лампа (версия SCR с электронной лампой) и DIAC, гистерезисное устройство, срабатывающее во время части полупериода переменного тока, будут фиксироваться и оставаться включенными в течение оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток ток уменьшается до нуля, так как он должен начать следующий полупериод. Непосредственно перед точкой перехода через ноль формы сигнала тока тиристор отключится из-за недостаточного тока (это поведение также известно как естественная коммутация), и его необходимо снова запустить в течение следующего цикла.В результате ток в цепи эквивалентен «нарезанной» синусоидальной волне. Для обзора, вот график реакции DIAC на напряжение переменного тока, пик которого превышает напряжение отключения DIAC: (Рисунок ниже)

Двунаправленный ответ DIAC

Для DIAC этот предел напряжения отключения был фиксированной величиной. С помощью SCR мы можем точно контролировать момент фиксации устройства, запуская логический элемент в любой момент времени по сигналу. Подключив подходящую схему управления к затвору SCR, мы можем «разрезать» синусоидальную волну в любой точке, чтобы обеспечить пропорциональное во времени управление мощностью нагрузки.

В качестве примера возьмем схему на рисунке ниже. Здесь SCR расположен в цепи для управления мощностью нагрузки от источника переменного тока.


SCR управление питанием переменного тока

Будучи однонаправленным (однонаправленным) устройством, в лучшем случае мы можем подавать на нагрузку только полуволновую мощность в полупериоде переменного тока, когда полярность напряжения питания положительная вверху и отрицательная внизу. Однако для демонстрации основной концепции управления, пропорционального времени, эта простая схема лучше, чем одна схема управления двухполупериодной мощностью (для которой потребовалось бы два SCR).

При отсутствии срабатывания затвора и напряжении источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения отключения SCR, SCR никогда не включится. Подключение затвора SCR к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через затвор в случае, если SCR содержит встроенный резистор затвор-катод), позволит запускать SCR почти сразу в начале каждый положительный полупериод: (рисунок ниже)

Затвор подключен напрямую к аноду через диод; почти полная полуволна тока через нагрузку.

Задержка срабатывания триггера SCR

Однако мы можем задержать срабатывание тринистора, добавив некоторое сопротивление в схему затвора, увеличив таким образом величину падения напряжения, требуемого до того, как достаточный ток затвора вызовет срабатывание тринистора. Другими словами, если мы усложним прохождение тока через затвор, добавив сопротивление, напряжение переменного тока должно будет достичь более высокой точки в своем цикле, прежде чем ток затвора станет достаточным для включения SCR. Результат показан на рисунке ниже.

В цепь затвора вставлено сопротивление; менее полуволны тока через нагрузку.

Поскольку полусинусоидальная волна в большей степени прерывается задержкой срабатывания тринистора, нагрузка получает меньшую среднюю мощность (мощность подается в течение меньшего времени в течение цикла). Сделав резистор последовательного затвора переменным, мы можем отрегулировать пропорциональную во времени мощность: (рисунок ниже)

Увеличение сопротивления приводит к увеличению порогового уровня, в результате чего на нагрузку подается меньшая мощность.Уменьшение сопротивления снижает пороговый уровень, в результате чего на нагрузку поступает больше мощности.

К сожалению, эта схема управления имеет существенное ограничение. При использовании сигнала источника переменного тока для нашего сигнала запуска SCR мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем ждать, пока волна не достигнет пика, чтобы запустить SCR. Это означает, что мы можем уменьшить мощность только до точки, в которой SCR включается на самом пике волны: (Рисунок ниже)

Цепь при минимальной мощности

Дальнейшее повышение порога срабатывания триггера приведет к тому, что схема вообще не сработает, поскольку даже пика напряжения переменного тока не будет достаточно для срабатывания тринистора.В результате на нагрузку не подается питание.

Гениальное решение этой дилеммы управления заключается в добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора: (рисунок ниже)

Добавление в схему фазовращающего конденсатора

Меньшая форма волны, показанная на графике, представляет собой напряжение на конденсаторе. Чтобы проиллюстрировать фазовый сдвиг, я предполагаю состояние максимального управляющего сопротивления, при котором тиристор вообще не срабатывает при отсутствии тока нагрузки, за исключением того небольшого тока, который проходит через управляющий резистор и конденсатор. Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0 ° до 90 °, запаздывая от формы сигнала переменного тока источника питания. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, срабатывает тиристор.

При достаточном напряжении на конденсаторе, чтобы периодически запускать SCR, результирующая форма волны тока нагрузки будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже).

Сигнал со сдвигом фазы запускает SCR в проводимость.

Поскольку форма волны конденсатора все еще нарастает после того, как форма волны основной мощности переменного тока достигла своего пика, становится возможным запускать SCR на пороговом уровне, превышающем этот пик, тем самым прерывая волну тока нагрузки дальше, чем это было возможно с более простой схемой.В действительности форма волны напряжения конденсатора немного сложнее, чем то, что показано здесь, ее синусоидальная форма искажается каждый раз, когда тиристор срабатывает. Однако то, что я пытаюсь проиллюстрировать здесь, - это задержка срабатывания триггера, полученная с помощью фазосдвигающей RC-цепи; таким образом, упрощенная, неискаженная форма сигнала хорошо служит этой цели.

Запуск SCR сложными схемами

SCR

также могут запускаться или «запускаться» более сложными схемами. В то время как ранее показанная схема достаточна для простого применения, такого как управление лампой, для управления крупными промышленными двигателями часто используются более сложные методы запуска.Иногда импульсные трансформаторы используются для соединения схемы запуска с затвором и катодом SCR, чтобы обеспечить электрическую изоляцию между цепями запуска и питания.

Трансформаторная развязка триггерного сигнала обеспечивает изоляцию.

Когда для управления мощностью используются несколько тиристоров, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение одной цепи запуска ко всем тиристорам одинаково. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель, показанный на рисунке ниже.

Управляемый мостовой выпрямитель

В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в данном примере - выпрямительные тиристоры) должны проводить встречные пары. SCR1 и SCR3 должны запускаться одновременно, а SCR2 и SCR4 должны запускаться вместе как пара. Однако, как вы заметите, эти пары SCR не используют одни и те же катодные соединения, а это означает, что просто параллельное соединение их соответствующих затворов и подключение одного источника напряжения для запуска обоих не сработает: (рисунок ниже)

Эта стратегия не будет работать для запуска SCR2 и SCR4 как пары.

Несмотря на срабатывание источника напряжения показан, вызовет SCR4, это не будет вызывать scr2 должным образом, потому что два тиристор не имеет общую связь катода ссылку, что инициирующее напряжение. Однако импульсные трансформаторы, соединяющие два тиристорных затвора с общим источником пускового напряжения, будут работать: (рисунок ниже)

Трансформаторная муфта затворов позволяет срабатывать SCR2 и SCR4.

Имейте в виду, что эта схема показывает только соединения затвора для двух из четырех тиристоров. Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR1 и SCR3, а также детали самих источников импульсов для простоты опущены.

Управляемые мостовые выпрямители не ограничиваются однофазными конструкциями. В большинстве промышленных систем управления питание переменного тока доступно в трехфазной форме для максимальной эффективности, и полупроводниковые схемы управления построены для использования этого преимущества. Схема трехфазного управляемого выпрямителя, построенная на тиристорах, без показанных импульсных трансформаторов или схемы запуска, будет выглядеть, как показано на рисунке ниже.

Трехфазный мостовой тиристорный регулятор нагрузки

ОБЗОР: Кремниевый выпрямитель, или SCR, по сути, представляет собой диод Шокли с добавленной дополнительной клеммой. Этот дополнительный вывод называется затвором, и он используется для запуска устройства в режим проводимости (фиксации его) путем приложения небольшого напряжения. Чтобы запустить или запустить SCR, необходимо приложить напряжение между затвором и катодом, положительное к затвору и отрицательное к катоду.

При тестировании SCR, мгновенного соединения между затвором и анодом достаточно по полярности, интенсивности и продолжительности, чтобы запустить его.SCR может срабатывать при преднамеренном срабатывании вывода затвора, чрезмерном напряжении (пробое) между анодом и катодом или чрезмерной скорости повышения напряжения между анодом и катодом. Тиристоры могут быть отключены анодным током, падающим ниже значения удерживающего тока (слаботочное выпадение) или «обратным зажиганием» затвора (подачей отрицательного напряжения на затвор). Обратное срабатывание только иногда эффективно и всегда связано с большим током затвора.

Вариант SCR, называемый тиристором с выключением затвора (GTO), специально разработан для отключения посредством обратного запуска.Даже в этом случае для обратного запуска требуется довольно большой ток: обычно 20% анодного тока. Клеммы SCR можно идентифицировать с помощью измерителя непрерывности: единственными двумя клеммами, показывающими какую-либо целостность между ними, должны быть затвор и катод. Клеммы затвора и катода подключаются к PN-переходу внутри SCR, поэтому измеритель целостности цепи должен иметь диодоподобное показание между этими двумя клеммами с красным (+) проводом на затворе и черным (-) проводом на катоде. Однако помните, что некоторые большие тиристоры имеют внутренний резистор, подключенный между затвором и катодом, что повлияет на любые показания целостности, снятые измерителем.

SCR

- настоящие выпрямители: они пропускают через себя ток только в одном направлении. Это означает, что их нельзя использовать отдельно для управления двухполупериодным переменным током. Если диоды в схеме выпрямителя заменены на тиристоры, у вас есть задатки схемы управляемого выпрямителя, в соответствии с которой мощность постоянного тока на нагрузку может быть пропорциональной по времени за счет срабатывания тиристоров в разных точках формы волны переменного тока.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Рабочий лист прикладных схем тиристоров

- Дискретные полупроводниковые приборы и схемы

Пусть сами электроны дадут вам ответы на ваши собственные «практические проблемы»!

Примечания:

По моему опыту, студентам требуется много практики с анализом цепей, чтобы стать профессиональными. С этой целью инструкторы обычно предоставляют своим ученикам множество практических задач, над которыми нужно работать, и дают ученикам ответы, с которыми они могут проверить свою работу. Хотя этот подход позволяет студентам овладеть теорией схем, он не дает им полноценного образования.

Студентам нужна не только математическая практика. Им также нужны настоящие практические схемы построения схем и использование испытательного оборудования. Итак, я предлагаю следующий альтернативный подход: студенты должны построить свои собственные «практические задачи» с реальными компонентами и попытаться математически предсказать различные значения напряжения и тока.Таким образом, математическая теория «оживает», и учащиеся получают практические навыки, которых они не приобрели бы, просто решая уравнения.

Еще одна причина для следования этому методу практики - обучить студентов научному методу : процессу проверки гипотезы (в данном случае математических предсказаний) путем проведения реального эксперимента. Студенты также разовьют реальные навыки поиска и устранения неисправностей, поскольку они время от времени допускают ошибки при построении схем.

Выделите несколько минут времени со своим классом, чтобы ознакомиться с некоторыми «правилами» построения схем, прежде чем они начнутся.Обсудите эти проблемы со своими учениками в той же сократической манере, в которой вы обычно обсуждаете вопросы рабочего листа, а не просто говорите им, что они должны и не должны делать. Я не перестаю удивляться тому, насколько плохо студенты понимают инструкции, представленные в типичном формате лекции (монолог инструктора)!

Примечание для инструкторов, которые могут жаловаться на «потраченное впустую» время, необходимое студентам для построения реальных схем вместо простого математического анализа теоретических схем:

Какова цель студентов, посещающих ваш курс?

Если ваши ученики будут работать с реальными схемами, то они должны по возможности учиться на реальных схемах. Если ваша цель - обучить физиков-теоретиков, обязательно придерживайтесь абстрактного анализа! Но большинство из нас планирует, чтобы наши ученики что-то делали в реальном мире с образованием, которое мы им даем. «Потраченное впустую» время, потраченное на создание реальных схем, принесет огромные дивиденды, когда им придет время применить свои знания для решения практических задач.

Кроме того, если студенты создают свои собственные практические задачи, они учатся выполнять первичных исследований , тем самым давая им возможность продолжить свое образование в области электрики / электроники в автономном режиме.

В большинстве наук реалистичные эксперименты намного сложнее и дороже, чем электрические схемы. Профессора ядерной физики, биологии, геологии и химии просто хотели бы, чтобы их студенты применяли передовую математику в реальных экспериментах, не представляющих угрозы безопасности и стоящих меньше, чем учебник. Они не могут, но вы можете. Воспользуйтесь удобством, присущим вашей науке, и заставит ваших учеников практиковать математику на множестве реальных схем!

SCR в цепях постоянного тока

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Общие сведения о работе SCR в цепях постоянного тока:
  • SCR как переключатель постоянного тока.
  • SCR как предохранительное устройство лома.

Рис. 6.1.1 Управление постоянным током с помощью тиристора

Коммутация постоянного тока

Тиристоры

могут использоваться для управления нагрузками переменного или постоянного тока и могут использоваться для переключения низковольтных слаботочных устройств, а также очень больших токов при сетевых (линейных) напряжениях. Простой пример тиристора, управляющего нагрузкой постоянного тока, такой как небольшой двигатель постоянного тока, показан на рис. 6.1.1. Двигатель здесь подключен к источнику питания 12 В постоянного тока через тиристор BT151, но не будет работать, пока тиристор не будет работать. Это достигается путем кратковременного замыкания «пускового» переключателя, который подает импульс тока на вывод затвора тиристора. Теперь двигатель работает, поскольку тиристор включается, и его сопротивление теперь очень низкое.

Когда пусковой переключатель возвращается в свое нормально разомкнутое состояние, ток затвора больше не возникает, но тиристор продолжает проводить, и в цепи постоянного тока ток будет продолжать течь, а двигатель продолжает работать. Дальнейшие действия пускового переключателя теперь не действуют. Тиристор отключится только в том случае, если ток упадет до значения ниже порогового значения тока удержания тиристора.

Это достигается за счет короткого замыкания тиристора путем кратковременного замыкания переключателя «стоп». Ток схемы теперь протекает через выключатель остановки, а не через тиристор, который мгновенно отключается, поскольку ток SCR теперь снижается до значения, меньшего, чем значение тока удержания. Остановка двигателя также может быть достигнута путем использования нормально замкнутого переключателя, включенного последовательно с тиристором, который при нажатии также временно предотвращает протекание тока через тиристор на время, достаточное для отключения тиристора.

Хотя эта простая схема работает, как можно увидеть на видео, сопровождающем рис. 6.1.1, нетрудно представить более простые способы включения и выключения небольшого двигателя. Однако этот принцип полезен в таких ситуациях, как использование компьютера для управления двигателем постоянного тока. Небольшой ток, производимый на выходе компьютера, используется для запуска тиристора (обычно через оптоволоконное устройство для обеспечения гальванической развязки). Затем тиристор может подавать на двигатель или другое устройство ток более высокого значения.Использование тиристора с некоторыми подходящими дополнительными схемами может также позволить дистанционное переключение схемы или устройства, запускаемое, например, радиосигналом.

Рис. 6.1.2 Защита лома от перенапряжения

SCR Цепи лома

Еще одна операция постоянного тока с использованием тиристоров - это схема «лом», используемая в качестве устройства защиты от перенапряжения. Схема называется ломом, так как ее действие так же тонко, как быстрый удар ломом. Такие цепи часто могут препятствовать выходу цепей источника питания напряжения, превышающего нормальное, в условиях неисправности.

Основная идея заключается в том, что если, например, неисправность в линии источника питания постоянного тока приводит к тому, что выходное напряжение превышает заданное значение напряжения, это «перенапряжение» обнаруживается и вызывает обычно непроводящий тиристор, подключенный между выходом источника питания и земля включится очень быстро. Это может иметь различные защитные действия, простейшее из которых, как показано на рис. 6.1.2, - это сработать предохранитель и, таким образом, полностью отключить питание, что потребует внимания сервисного специалиста для восстановления работы цепи.Это часто выбирается как самый безопасный вариант, так как причина первоначального перенапряжения должна быть исследована и устранена, прежде чем цепь снова будет работать.

На рис. 6.1.2 выход стабилизированного источника постоянного тока 5 В воспринимается D1, стабилитроном 6,2 В, анод которого удерживается под напряжением, близким к 0 В, с помощью R1. Этот резистор 100 Ом гарантирует, что если линия питания 5 В поднимется выше заданного предела, через стабилитрон будет протекать достаточный ток, чтобы обеспечить достаточный ток на затворе SCR для включения SCR.Также необходимо позаботиться о том, чтобы SCR не сработал случайно при появлении быстрых скачков напряжения на линии 5 В, например, из-за других переключающих устройств в цепи питания. Таким образом, C1 подключен между затвором и катодом SCR, чтобы уменьшить амплитуду любых очень коротких импульсов помех, при условии, что они не существуют достаточно долго, чтобы зарядить C1 до достаточно высокого уровня, чтобы запустить SCR.

Причина использования тиристора для срабатывания предохранителя заключается в том, что предохранители срабатывают не сразу, а срабатывают, когда чрезмерный ток протекает достаточно долго, так что плавкий элемент нагревается и плавится.Это может занять достаточно много времени, чтобы чрезмерное напряжение уже разрушило ряд полупроводниковых компонентов. Однако тиристор имеет очень быстрое время включения (около 2 мкс для BT151), так что в течение короткого времени между возникновением перенапряжения и срабатыванием предохранителя весь выходной ток источника питания будет проходить через тиристор, а не через цепь подается.

Хотя схемы, подобные рис. 6.1.2, широко используются, использование предохранителей для защиты сложных низковольтных полупроводниковых цепей может не обеспечить подходящей защиты.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *