Работа тиристора на постоянном токе: Тиристор назначение и принцип работы. Управление тиристором, принцип действия

Тиристор назначение и принцип работы. Управление тиристором, принцип действия

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

Свойства тиристоров

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

К крайней области р-структуры производится подключение положительного полюса источника напряжения.

Поэтому, данная область получила название анода. Противоположная область п-типа, куда подключается отрицательный полюс, называется катодом. Вывод из внутренней области осуществляется с помощью р-управляющего электрода.

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

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

Работа тиристора при постоянном токе

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

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

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

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

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

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

Тиристор можно закрыть:

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

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

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

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

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки

Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах

500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

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

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

Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении

1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку

Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

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

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

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

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

К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

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

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

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

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

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

(рис 5) .

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

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

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

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

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

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

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

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

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

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

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

Тиристор – электронный компонент, изготовленный на основе полупроводниковых материалов, может состоять из трёх или более p-n-переходов и имеет два устойчивых состояния: закрытое (низкая проводимость), открытое (высокая проводимость).

Это сухая формулировка, которая для тех, кто только начинает осваивать электротехник у, абсолютно ни о чём не говорит. Давайте разберём принцип работы этого электронного компонента для обычных людей, так сказать, для чайников, и где его можно применить. По сути, это электронный аналог выключателей, которыми вы каждый день пользуетес

Есть много типов этих элементов, обладающие различными характеристиками и имеющие различные области применения. Рассмотрим обычный однооперационный тиристор.

Способ обозначения на схемах показан на рисунке 1.

Электронный элемент имеет следующие выводы:

• анод положительный вывод;
• катод отрицательный вывод;
• управляющий электрод G.

Принцип действия тиристора

Основное применение этого типа элементов это создание на их основе силовых тиристорных ключей для коммутации больших токов и их регулирования. Включение выполняется сигналом, переданным на управляющий электрод. При этом элемент является не полностью управляемым, и для его закрытия необходимо применение дополнительных мер, которые обеспечат падение величины напряжения до нуля.

Если говорить, как работает тиристор простым языком, то он, по аналогии с диодом, может проводить ток только в одном направлении, поэтому при его подключении нужно соблюдать правильную полярность . При подаче напряжения к аноду и катоду этот элемент будет оставаться закрытым до момента, когда на управляющий электрод будет подан соответствующий электрический сигнал. Теперь, независимо от наличия или отсутствия управляющего сигнала, он не изменит своего состояния и останется открытым.

Условия закрытия тиристора:

1. Снять сигнал с управляющего электрода;
2. Снизить до нуля напряжение на катоде и аноде.

Для сетей переменного тока выполнение этих условий не вызывает особых трудностей. Синусоидальное напряжение, изменяясь от одного амплитудного значения до другого, снижается до нулевой величины, и если в этот момент управляющего сигнала нет, то тиристор закроется.

В случае использования тиристоров в схемах постоянного тока для принудительной коммутации (закрытия тиристора) используют ряд способов, наиболее распространённым является использование конденсатора, который был предварительно заряжен. Цепь с конденсатором подключается к схеме управления тиристором. При подключении конденсатора в цепь произойдёт разряд на тиристор, ток разряда конденсатора будет направлен встречно прямому току тиристора, что приведёт к уменьшению тока в цепи до нулевого значения и тиристор закроется.

Можно подумать, что применение тиристоров неоправданно, не проще ли использовать обычный ключ? Огромным плюсом тиристора является то, что он позволяет коммутировать огромные токи в цепи анода-катода при помощи ничтожно малого управляющего сигнала, поданного в цепь управления. При этом не возникает искрения, что немаловажно для надёжности и безопасности всей схемы.

Схема включения

Схема управления может выглядеть по-разному, но в простейшем случае схема включения тиристорного ключа имеет вид, показанный на рисунке 2.

К аноду присоединена лампочка L, а к ней выключателем К2 подключается плюсовая клемма источника питания G. B. Катод соединяется с минусом питания.

После подачи питания выключателем К2 к аноду и катоду будет приложено напряжение батареи, но тиристор остаётся закрытым, лампочка не светится. Для того чтобы включить лампу, необходимо нажать на кнопку К1, сигнал через сопротивление R будет подан на управляющий электрод, тиристорный ключ изменит своё состояние на открытое, и лампочка загорится. Сопротивление ограничивает ток, подаваемый на управляющий электрод. Повторное нажатие на кнопку К1 никакого влияния на состояние схемы не оказывает.

Для закрытия электронного ключа нужно отключить схему от источника питания выключателем К2. Этот тип электронных компонентов закроется, и в случае снижения напряжения питания на аноде до определённой величины, которая зависит от его характеристик. Вот так можно описать, как работает тиристор для чайников.

Характеристики

К основным характеристикам можно отнести следующие:

Рассматриваемые элементы, кроме электронных ключей, часто применяются в регуляторах мощности, которые позволяют изменять подводимую к нагрузке мощность за счёт изменения среднего и действующего значений переменного тока. Величина тока регулируется изменением момента подачи на тиристор открывающего сигнала (за счёт варьирования угла открывания). Углом открытия (регулирования) называется время от начала полупериода до момента открытия тиристора.

Типы данных электронных компонентов

Существует немало различных типов тиристоров, но наиболее распространены, помимо тех что мы рассмотрели выше, следующие:

• динистор элемент, коммутация которого происходит при достижении определённого значения величины напряжения, приложенного между анодом и катодом;
• симистор;
• оптотиристор, коммутация которого осуществляется световым сигналом.

Симисторы

Хотелось бы более подробно остановиться на симисторах. Как говорилось ранее, тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, поэтому при установке их в цепи переменного тока, такая схема регулирует один полупериод сетевого напряжения. Для регулирования обоих полупериодов необходимо установить встречно-параллельно ещё один тиристор либо применить специальные схемы с использованием мощных диодов или диодных мостов. Все это усложняет схему, делает её громоздкой и ненадёжной.

Вот для таких случаев и был изобретён симистор. Поговорим о нем и о принципе работы для чайников. Главное отличие симисторов от рассмотренных выше элементов заключается в способности пропускать ток в обоих направлениях. По сути, это два тиристора с общим управлением, подключённые встречно-параллельно (рисунок. 3 А).

Условное графическое обозначение этого электронного компонента показано на Рис. 3 В. Следует заметить, что называть силовые выводы анодом и катодом будет не корректно, так как ток может проводиться в любом направлении, поэтому их обозначают Т1 и Т2. Управляющий электрод обозначается G. Для того чтобы открыть симистор, необходимо подать управляющий сигнал на соответствующий вывод. Условия для перехода симистора из одного состояния в другое и обратно в сетях переменного тока не отличаются от способов управления, рассмотренных выше.

Применяется этот тип электронных компонентов в производственной сфере, бытовых устройствах и электроинструментах для плавного регулирования тока. Это управление электродвигателями, нагревательными элементами, зарядными устройствами.

В завершение хотелось бы сказать, что и тиристоры и симисторы, коммутируя значительные токи, обладают весьма скромными размерами, при этом на их корпусе выделяется значительная тепловая мощность. Проще говоря, они сильно греются, поэтому для защиты элементов от перегрева и теплового пробоя используют теплоотвод, который в простейшем случае представляет собой алюминиевый радиатор.

8 января 2013 в 19:23

• Электроника для начинающих

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

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

Классификация

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

Принцип работы

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

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

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

Общие параметры тиристоров

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

Заключение

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

Тиристор. Устройство, назначение.

Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор с тремя p–n -переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями электрического равновесия: закрытым и открытым.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают три основных свойства тиристора:

1 тиристор, как и диод, проводит ток в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;

2 тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния.

3 управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из «закрытого» состояния в «открытое», значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока;

Устройство и основные виды тиристоров

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n -структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n , содержащий три последовательно соединённых p-n -перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p -слою называется анодом, к внешнему n -слою – катодом. В общем случае p-n-p-n -прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором . Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как ихВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется такжесимистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов , часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

· Между точками 0 и (Vвo,IL) находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора – прямое запирание (нижняя ветвь).

· В точке Vво происходит включение тиристора (точка переключения динистора во включённое состояние).

· Между точками (Vво, IL) и (Vн,Iн) находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением-неустойчивая область переключения во включённое состояние. При подаче разности потенциалов между анодом и катодом тиристора прямой полярности больше Vно происходит отпирание тиристора (динисторный эффект).

· Участок от точки с координатами (Vн,Iн) и выше соответствует открытому состоянию (прямой проводимости)

· На графике показаны ВАХ с разными токами управления (токами на управляющем электроде тиристора) IG (IG=0; IG>0; IG>>0), причём чем больше ток IG, тем при меньшем напряжении Vbo происходит переключение тиристора в проводящее состояние

· Пунктиром обозначен т. н. «ток включения спрямления» (IG>>0), при котором тиристор переходит в проводящее состояние при минимальном напряжении анод-катод. Для того, чтобы перевести тиристор обратно в непроводящее состояние необходимо снизить ток в цепи анод-катод ниже тока включения спрямления.

· Участок между 0 и Vbr описывает режим обратного запирания прибора.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0-3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

Тиристоры. Устройство, принцип работы, вольт-амперная характеристика

Чтобы понять как работает схема, необходимо знать действие и назначение каждого из элементов. В этой статье рассмотрим принцип работы тиристора, разные виды и режимы работы, характеристики и виды. Постараемся объяснить все максимально доступно, чтобы было понятно даже для начинающих.

Тиристор — полупроводниковый элемент, имеющий только два состояния: «открыто» (ток проходит) и «закрыто» (тока нет). Причем оба состояния устойчивые, то есть переход происходит только при определенных условиях. Само переключение происходит очень быстро, хоть и не мгновенно.

По способу действия его можно сравнить с переключателем или ключом. Вот только переключается тиристор при помощи напряжения, а отключается пропаданием тока или снятием нагрузки. Так что принцип работы тиристора понять несложно. Можно представлять его как ключ с электрическим управлением. Так, да не совсем.

Тиристор, как правило, имеет три выхода. Один управляющий и два, через которые протекает ток. Можно попробовать коротко описать принцип работы. При подаче напряжения на управляющий выход, коммутируется цепь через анод-коллектор. То есть, он сравним с транзистором. Только с той разницей, что у транзистора величина пропускаемого тока зависит от поданного на управляющий вывод напряжения. А тиристор либо полностью открыт, либо полностью закрыт.

Внешний вид

Внешний вид тиристора зависит от даты его производства. Элементы времен Советского Союза — металлические, в виде «летающей тарелки» с тремя выводами. Два вывода — катод и управляющий электрод — находятся на «дне» или «крышке» (это с какой стороны смотреть). Причем электрод управления меньше по размерам. Анод может находиться с противоположной стороны от катода, или торчать вбок из-под шайбы, которая есть на корпусе.

Два вида тиристоров — современные и советские, обозначение на схемах

Современные тиристоры выглядят по-другому. Это небольшой пластиковый прямоугольник с металлической пластиной сверху и тремя выводами-ножками снизу. В современном варианте есть одно неудобство: надо смотреть в описании какой из выводов анод, где катод и управляющий электрод. Как правило, первый — анод, затем катод и крайний правый — это электрод. Но это как правило, то есть, не всегда.

Принцип работы

По принципу действия, тиристор можно еще сравнить с диодом. Пропускать ток он будет в одном направлении — от анода к катоду, но происходить это будет только в состоянии «открыто». На схемах тиристор похож на диод. Также имеется анод и катод, но есть еще дополнительный элемент — управляющий электрод. Понятное дело, есть отличия и в выходном напряжении (если сравнивать с диодом).

В схемах переменного напряжения тиристор будет пропускать только одну полуволну — верхнюю. Когда приходит нижняя полуволна, он сбрасывается в состояние «закрыто».

Принцип работы тиристора простыми словами

Рассмотрим принцип работы тиристора. Стартовое состояние элемента — закрыто. «Сигналом» к переходу в состояние «открыто» является появление напряжения между анодом и управляющим выводом. Вернуть тиристор в состояние «закрыто» можно двумя способами:

• снять нагрузку;
• уменьшить ток ниже тока удержания (одна из технических характеристик).

В схемах с переменным напряжением, как правило, сбрасывается тиристор по второму варианту. Переменный ток в бытовой сети имеет синусоидальную форму, когда его значение приближается к нулю и происходит сброс. В схемах, питающихся от источников постоянного тока, надо либо принудительно убирать питание, либо снимать нагрузку.

То есть, работает тиристор в схемах с постоянным и переменным напряжением по-разному. В схеме постоянного напряжения, после кратковременного появления напряжения между анодом и управляющим выводом, элемент переходит в состояние «открыто». Далее может быть два варианта развития событий:

• Состояние «открыто» держится даже после того, как напряжение анод-выход управления пропало. Такое возможно если напряжение, поданное на анод-управляющий вывод, выше чем неотпирающее напряжение (эти данные есть в технических характеристиках). Прекращается прохождение тока через тиристор, фактически только разрывом цепи или выключением источника питания. Причем выключение/обрыв цепи могут быть очень кратковременными. После восстановления цепи, ток не течет до тех пор, пока на анод-управляющий вывод снова не подадут напряжение.
• После снятия напряжения (оно меньше чем отпирающее) тиристор сразу переходит в состояние «закрыто».

Так что в схемах постоянного тока есть два варианта использования тиристора — с удержанием открытого состояния и без. Но чаще применяют по первому типу — когда он остается открытым.

Принцип работы тиристора в схемах переменного напряжения отличается. Там возвращение в запертое состояние происходит «автоматически» — при падении силы тока ниже порога удержания. Если напряжение на анод-катод подавать постоянно, на выходе тиристора получаем импульсы тока, которые идут с определенной частотой. Именно так построены импульсные блоки питания. При помощи тиристора они преобразуют синусоиду в импульсы.

Проверка работоспособности

Проверить тиристор можно либо при помощи мультиметра, либо создав простенькую проверочную схему. Если при прозвонке иметь перед глазами технические характеристики, можно заодно проверить сопротивление переходов.

Прозвонка мультиметром

Для начала разберем прозвонку мультиметром. Переводим прибор в режим прозвонки.

Обратите внимание, что величина сопротивления у разных серий разная — на это не стоит обращать особого внимания. Если хотите проверить и сопротивление переходов, посмотрите в технических характеристиках.

На рисунке представлены схемы испытаний. Крайний справа рисунок — усовершенствованный вариант с кнопкой, которую устанавливают между катодом и управляющим выводом. Для того чтобы мультиметр зафиксировал протекающий по цепи ток, кратковременно нажимаем на кнопку.

При помощи лампочки и источника постоянного тока (батарейка тоже пойдет)

Если мультиметра нет, можно проверить тиристор при помощи лампочки и источника питания. Подойдет даже обычная батарейка или любой другой источник постоянного напряжения. Вот только напряжение должно быть достаточным для того, чтобы засветить лампочку. Потребуется еще сопротивление или обычный кусок проволоки. Из этих элементов собирается простая схема:

• Плюс от источника питания подаем на анод.
• К катоду подключаем лампочку, второй ее вывод подключаем к минусу источника питания. Лампочка не горит, так как термистор заперт.
• Кратковременно (при помощи куска проволоки или сопротивления) соединяем анод и управляющий вывод.
• Лампочка загорается и продолжает гореть, хотя перемычка убрана. Термистор остается в открытом состоянии.
• Если выкрутить лампочку или выключить источник питания, то лампочка, естественно, погаснет.
• Если восстановить цепь/питание, она не загорится.

Заодно с проверкой, эта схема позволяет понять принцип работы тиристора. Ведь картинка получается очень наглядной и понятной.

Виды тиристоров и их особые свойства

Полупроводниковые технологии все еще разрабатываются и совершенствуются. За несколько десятилетий появились новые разновидности тиристоров, которые имеют некоторые отличия.

• Динисторы или диодные тиристоры. Отличаются тем, что имеют только два вывода. Открываются подачей на анод и катод высокого напряжения в виде импульса. Называют еще «неуправляемые тиристоры».
• Тринисторы или триодные тиристоры. В них есть управляющий электрод, но управляющий импульс может подаваться:
  • На управляющий выход и катод. Название — с управлением катодом.
  • На управляющий электрод и анод. Соответственно — управление анодом.

Есть также разные виды тиристоров по способу запирания. В одном случае достаточно уменьшения анодного тока ниже уровня тока удержания. В другом случае — подается запирающее напряжение на управляющий электрод.

По проводимости

Мы говорили, что проводят тиристоры ток только в одном направлении. Обратной проводимости нет. Такие элементы называют обратно-непроводящие, но существуют не только такие. Есть и другие варианты:

• Имеют невысокое обратное напряжение, называются обратно-проводящие.
• С ненормируемой обратной проводимостью. Ставят в схемах, где обратное напряжение возникнуть не может.
• Симисторы. Симметричные тиристоры. Проводят ток в обоих направлениях.

Тиристоры могут работать в режиме ключа. То есть при поступлении импульса управления подавать ток на нагрузку. Нагрузка, в этом случае, рассчитывается исходя из напряжения в открытом виде. Надо также учитывать наибольшую рассеиваемую мощность. Вот в этом случае лучше выбирать металлические модели в виде «летающей тарелки». К ним удобно приделывать радиатор — для более быстрого охлаждения.

Классификация по особым режимам работы

Еще можно выделить следующие подвиды тиристоров:

• Запираемые и незапираемые. Принцип работы тиристора незапираемого немного другой. Он находится в открытом состоянии когда плюс приложен к аноду, минус — на катоде. Переходит в закрытое состоянии при смене полярности.
• Быстродействующие. Имеют малое время перехода из одного состояния в другое.
• Импульсные. Очень быстро переходит из одного состояние в другое, используется в схемах с импульсными режимами работы.

Основное назначение — включение и выключение мощной нагрузки при помощи маломощных управляющих сигналов

Основная область использования тиристоров — в качестве электронного ключа, служащего для замыкания и размыкания электрической цепи. В общем много привычных устройств построены на тиристорах. Например, гирлянда с бегущими огнями, выпрямители, импульсные источники тока, выпрямители и многие другие.

Характеристики и их значение

Некоторые тиристоры могут коммутировать очень большие токи, в этом случае их называют силовыми тиристорами. Они изготавливаются в металлическом корпусе — для лучшего отвода тепла. Небольшие модели с пластиковым корпусом — это обычно маломощные варианты, которые используют в малоточных схемах. Но, всегда есть исключения. Так что для каждой конкретной цели подбирают требуемый вариант. Подбирают, понятное дело, по параметрам. Вот основные:

Есть еще динамический параметр — время перехода из закрытого в открытое состояние. В некоторых схемах это важно. Может еще указываться тип быстродействия: по времени отпирания или по времени запирания.

Появление четырехслойных p-n-p-n полупроводниковых элементов совершило настоящий прорыв в силовой электронике. Такие устройства получили название «тиристоров». Кремниевые управляемые вентили являются наиболее распространенным семейством тиристоров.

Данный вид полупроводниковых приборов имеет следующую структуру:

Как видим из структурной схемы тиристор имеет три вывода – катод, управляющий электрод и анод. Подключению к силовым цепям подлежат анод и катод, а управляющий электрод подключается к системе управления (слаботочные сети) для управляемого открытия тиристора.

На принципиальных схемах тиристор имеет такое обозначение:

Вольт-амперная характеристика показана ниже:

Давайте подробнее рассмотрим эту характеристику.

Обратная ветвь характеристики

В третьем квадранте характеристики диодов и тиристоров равны. Если к аноду приложить отрицательный потенциал относительно катода, то к J 1 и J 3 прикладывается обратное напряжение, а к J 2 — прямое, что вызовет протекание тока обратного (он очень мал, как правило несколько миллиампер). Когда же это напряжение увеличится до так называемого напряжения пробоя, произойдет лавинное нарастание тока между J 1 и J 3 . При этом, если данный ток не будет ограничен, то произойдет пробой перехода с последующим выходом из строя тиристора. При обратных же напряжениях, которые не превышают напряжения пробоя, тиристор будет вести себя как резистор с большим сопротивлением.

Зона низкой проводимости

В данной зоне все наоборот. Потенциал катода будет отрицательный по отношению к потенциалу анода. Поэтому к J 1 и J 3 будет приложено прямое, а к J 2 – обратное напряжение. Результатом чего станет весьма малый анодный ток.

Зона высокой проводимости

Если напряжение на участке анод – катод достигнет значения, так называемого напряжением переключения, то произойдет лавинный пробой перехода J 2 и тиристор будет переведен в состояние высокой проводимости. При этом U a снизится от нескольких сотен до 1 — 2 вольт. Оно будет зависеть от типа тиристора. В зоне высокой проводимости ток, протекающий через анод, будет зависеть от нагрузки внешней элемента, что дает возможность рассматривать его в этой зоне как замкнутый ключ.

Если пропустить ток через управляющий электрод, то напряжение включения тиристора уменьшится. Оно напрямую зависит от тока управляющего электрода и при достаточно большом его значении практически равно нулю. При выборе тиристора для работы в схеме, то его подбирают таким образом, чтоб напряжения обратное и прямое не превышали паспортных значений напряжений пробоя и переключения. Если эти условия выполнить трудно, или имеется большой разброс в параметрах элементов (например необходим тиристор на 6300 В, а его ближайшие значения 1200 В), то иногда применяют или включение элементов.

В нужный момент времени с помощью подачи импульса на управляющий электрод можно перевести тиристор с закрытого состояния в зону высокой проводимости. Ток УЭ, как правило, должен быть выше минимального тока открытия и он составляет порядка 20-200 мА.

Когда анодный ток достигнет определенного значения, при котором запирания тиристора невозможно (ток переключения), управляющий импульс может быть снят. Теперь тиристор сможет перейти обратно в закрытое состояние только при уменьшении тока ниже, чем ток удержания, или прикладыванием к нему напряжения обратной полярности.

Видео работы и графики переходных процессов

Тиристоры – это силовые электронные ключи, управляемые не полностью. Нередко в технических книгах можно увидеть еще одно название этого прибора – однооперационный тиристор. Другими словами, под воздействием управляющего сигнала он переводится в одно состояние – проводящее. Если конкретизировать, то он включает цепь. Чтобы она выключалась, необходимо создать специальные условия, которые обеспечивают падение прямого тока в цепи до нулевого значения.

Особенности тиристоров

Тиристорные ключи проводят электрический ток только в прямом направлении, причем в закрытом состоянии он выдерживает не только прямое, но и обратное напряжение. Структура тиристора четырехслойная, имеется три вывода:

1. Анод (обозначается буквой А).
2. Катод (буквой С или К).
3. Управляющий электрод (У или G).

У тиристоров есть целое семейство вольт-амперных характеристик, по ним можно судить о состоянии элемента. Тиристоры – это очень мощные электронные ключи, они способны проводить коммутацию цепей, в которых напряжение может достигать 5000 вольт, а сила тока – 5000 ампер (при этом частота не превышает 1000 Гц).

Работа тиристора в цепях постоянного тока

Обычный тиристор включается путем подачи токового импульса на управляющий вывод. Причем он должен быть положительным (по отношению к катоду). Длительность переходного процесса зависит от характера нагрузки (индуктивная, активная), амплитуды и скорости нарастания в цепи управления импульса тока, температуры кристалла полупроводника, а также приложенного тока и напряжения на имеющиеся в схеме тиристоры. Характеристики схемы напрямую зависят от вида используемого полупроводникового элемента.

В той цепи, в которой находится тиристор, недопустимо возникновение большой скорости нарастания напряжения. А именно такого значения, при котором происходит самопроизвольное включение элемента (даже если нет сигнала в цепи управления). Но одновременно с этим у сигнала управления должна быть очень высокая крутизна характеристики.

Способы выключения

Можно выделить два типа коммутации тиристоров:

1. Естественная.
2. Принудительная.

А теперь более подробно о каждом виде. Естественная возникает тогда, когда тиристор работает в цепи переменного тока. Причем происходит эта коммутация тогда, когда ток падает до нулевого значения. А вот осуществить принудительную коммутацию можно большим количеством различных способов. Какое управление тиристором выбрать, решать разработчику схемы, но стоит поговорить о каждом типе отдельно.

Самым характерным способом принудительной коммутации является подключение конденсатора, который был заранее заряжен при помощи кнопки (ключа). LC-цепь включается в схему управления тиристором. Эта цепочка и содержит заряженный полностью конденсатор. При переходном процессе в нагрузочной цепи происходят колебания тока.

Способы принудительной коммутации

Существует еще несколько типов принудительной коммутации. Нередко применяют схему, в которой используется коммутирующий конденсатор, имеющий обратную полярность. Например, этот конденсатор может включаться в цепь при помощи какого-либо вспомогательного тиристора. При этом произойдет разряд на основной (рабочий) тиристор. Это приведет к тому, что у конденсатора ток, направленный навстречу прямому току основного тиристора, будет способствовать снижению тока в цепи вплоть до нуля. Следовательно, произойдет выключение тиристора. Это случается по той причине, что устройство тиристора имеет свои особенности, характерные только для него.

Существуют также схемы, в которых подключаются LC-цепочки. Они разряжаются (причем с колебаниями). В самом начале ток разряда течет навстречу рабочему, а после уравнивания их значений происходит выключение тиристора. После из колебательной цепочки ток перетекает через тиристор в полупроводниковый диод. При этом, покуда течет ток, к тиристору прикладывается некоторое напряжение. Оно по модулю равно падению напряжения на диоде.

Работа тиристора в цепях переменного тока

Если тиристор включить в цепь переменного тока, можно осуществить такие операции:

1. Включить или отключить электрическую цепь с активно-резистивной или активной нагрузкой.
2. Изменить среднее и действующее значение тока, который проходит через нагрузку, благодаря возможности регулировать момент подачи сигнала управления.

У тиристорных ключей имеется одна особенность – они проводят ток только в одном направлении. Следовательно, если необходимо использовать их в цепях приходится применять встречно-параллельное включение. Действующие и средние значения тока могут изменяться из-за того, что момент подачи сигнала на тиристоры различный. При этом мощность тиристора должна соответствовать минимальным требованиям.

Фазовый метод управления

При фазовом методе управления с коммутацией принудительного типа происходит регулировка нагрузки благодаря изменению углов между фазами. Искусственную коммутацию можно осуществить при помощи специальных цепей, либо же необходимо использовать полностью управляемые (запираемые) тиристоры. На их основе, как правило, изготавливают которое позволяет регулировать в зависимости от уровня зарядки аккумуляторной батареи.

Широтно-импульсное управление

Называют еще его ШИМ-модуляцией. Во время открытия тиристоров подается сигнал управления. Переходы открыты, а на нагрузке имеется некоторое напряжение. Во время закрытия (в течение всего переходного процесса) не подается сигнал управления, следовательно, тиристоры не проводят ток. При осуществлении фазового управления токовая кривая не синусоидальна, происходит изменение формы сигнала напряжения питания. Следовательно, происходит также нарушение работы потребителей, которые чувствительны к высокочастотным помехам (появляется несовместимость). Несложную конструкцию имеет регулятор на тиристоре, который без проблем позволит изменить необходимую величину. И не нужно применять массивные ЛАТРы.

Тиристоры запираемые

Тиристоры – это очень мощные электронные ключи, используются для коммутации высоких напряжений и токов. Но есть у них один огромный недостаток – управление неполное. А если конкретнее, то это проявляется тем, что для отключения тиристора нужно создавать условия, при котором прямой ток будет снижаться до нуля.

Именно эта особенность накладывает некоторые ограничения на использование тиристоров, а также усложняет схемы на их основе. Чтобы избавиться от такого рода недостатков, были разработаны специальные конструкции тиристоров, которые запираются сигналом по одному электроду управления. Их называют двухоперационными, или запираемыми, тиристорами.

Конструкция запираемого тиристора

Четырехслойная структура р-п-р-п у тиристоров имеет свои особенности. Они придают им отличия от обычных тиристоров. Речь сейчас идет о полной управляемости элемента. Вольт-амперная характеристика (статическая) при прямом направлении такая же, как и у простых тиристоров. Вот только прямой ток тиристор может пропускать куда больший по значению. Но функции блокировки больших обратных напряжений у запираемых тиристоров не предусмотрено. Поэтому необходимо соединять его встречно-параллельно с

Характерная особенность запираемого тиристора – это значительное падение прямых напряжений. Чтобы произвести отключение, следует осуществить подачу на управляющий вывод мощного импульса тока (отрицательного, в соотношении 1:5 к прямому значению тока). Но только длительность импульса должна быть как можно меньшей – 10… 100 мкс. Запираемые тиристоры обладают более низким значением предельного напряжения и тока, нежели обычные. Разница составляет примерно 25-30 %.

Виды тиристоров

Выше были рассмотрены запираемые, но существует еще немало типов полупроводниковых тиристоров, о которых также стоит упомянуть. В самых различных конструкциях (зарядные устройства, переключатели, регуляторы мощности) используются определенные типы тиристоров. Где-то требуется, чтобы управление проводилось путем подачи потока света, значит, используется оптотиристор. Его особенность заключается в том, что в цепи управления используется кристалл полупроводника, чувствительный к свету. Параметры тиристоров различны, у всех свои особенности, характерные только для них. Поэтому нужно хотя бы в общих чертах представлять, какие виды этих полупроводников существуют и где они могут применяться. Итак, вот весь список и основные особенности каждого типа:

1. Диод-тиристор. Эквивалент этого элемента – тиристор, к которому подключен встречно-параллельно полупроводниковый диод.
2. Динистор (диодный тиристор). Он может переходить в состояние полной проводимости, если превышается определенный уровень напряжения.
3. Симистор (симметричный тиристор). Его эквивалент – два тиристора, включенных встречно-параллельно.
4. Тиристор инверторный быстродействующий отличается высокой скоростью коммутации (5… 50 мкс).
5. Тиристоры с управлением Часто можно встретить конструкции на основе МОП-транзисторов.
6. Оптические тиристоры, которые управляются потоками света.

Осуществление защиты элемента

Тиристоры – это приборы, которые критичны к скоростям нарастания прямого тока и прямого напряжения. Для них, как и для полупроводниковых диодов, характерно такое явление, как протекание обратных токов восстановления, которое очень быстро и резко падает до нулевого значения, усугубляя этим вероятность возникновения перенапряжения. Это перенапряжение является следствием того, что резко прекращается ток во всех элементах схемы, которые имеют индуктивность (даже сверхмалые индуктивности, характерные для монтажа – провода, дорожки платы). Для осуществления защиты необходимо использовать разнообразные схемы, позволяющие в динамических режимах работы защититься от высоких напряжений и токов.

Как правило, источника напряжения, который входит в цепь работающего тиристора, имеет такое значение, что его более чем достаточно для того, чтобы в дальнейшем не включать в схему некоторую дополнительную индуктивность. По этой причине в практике чаще используется цепочка формирования траектории переключения, которая значительно снижает скорость и уровень перенапряжения в схеме при отключении тиристора. Емкостно-резистивные цепочки наиболее часто используются для этих целей. Они включаются с тиристором параллельно. Имеется довольно много видов схемотехнических модификаций таких цепей, а также методик их расчетов, параметров для работы тиристоров в различных режимах и условиях. А вот цепь формирования траектории переключения запираемого тиристора будет такая же, как и у транзисторов.

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

1. Прокол обеднённой области .

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

Режим прямого запирания

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

Двухтранзисторная модель

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

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

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

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

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

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

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

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

Режим прямой проводимости

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

Классификация тиристоров

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

Отличие динистора от тринистора

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

Отличие тиристора триодного от запираемого тиристора

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

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

Симистор

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

Характеристики тиристоров

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

Применение

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

См. также

• CDI (Capacitor Discharge Ignition)

Примечания

Литература

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

Ссылки

• Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения
• Управление тиристорами и симисторами через микроконтроллер или цифровую схему
• Преобразовательные устройства в системах электроснабжения
• Рогачёв К.Д. Современные силовые запираемые тиристоры .
• Отечественные Аналоги Импортных Тиристоров
• Справочники по тиристорам и аналогам,Замена тиристоров,замена диодов.Стабилитроны

Пассивные твердотельные	Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Переменный конденсатор · Подстроечный конденсатор · Катушка индуктивности · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор
Активные твердотельные	Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор ·

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

Свойства тиристоров

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

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

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

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

Работа тиристора при постоянном токе

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

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

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

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

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

Свойства тиристоров

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

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

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

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

Работа тиристора при постоянном токе

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

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

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

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

1. Прокол обеднённой области .

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

Режим прямого запирания

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

Двухтранзисторная модель

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

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

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

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

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

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

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

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

Режим прямой проводимости

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

Классификация тиристоров

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

Отличие динистора от тринистора

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

Отличие тиристора триодного от запираемого тиристора

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

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

Симистор

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

Характеристики тиристоров

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

Применение

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

См. также

• CDI (Capacitor Discharge Ignition)

Примечания

Литература

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

Ссылки

• Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения
• Управление тиристорами и симисторами через микроконтроллер или цифровую схему
• Преобразовательные устройства в системах электроснабжения
• Рогачёв К.Д. Современные силовые запираемые тиристоры .
• Отечественные Аналоги Импортных Тиристоров
• Справочники по тиристорам и аналогам,Замена тиристоров,замена диодов.Стабилитроны

Пассивные твердотельные	Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Переменный конденсатор · Подстроечный конденсатор · Катушка индуктивности · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор
Активные твердотельные	Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор ·

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

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

Виды

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

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

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

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

Свойства и характеристики

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

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

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

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

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

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

Запираемые тиристоры

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

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

Сравнение различных тиристоров приведено в таблице ниже.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные характеристики тиристоров

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

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

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

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

Принцип работы симистора

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы и свойства динистора, схемы на динисторах

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

8 января 2013 в 19:23

• Электроника для начинающих

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

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

Классификация

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

Принцип работы

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

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

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

Общие параметры тиристоров

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

Заключение

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

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Схемы управления тиристорами. Фазосдвигающее устройство

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1. Простейшие схемы управления тиристорами

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

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

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

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

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

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

Фазосдвигающее устройство (ФСУ)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3. Принципиальная схема генератора импульсов и диаграмма напряжений

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

Управляющее напряжение Uс вырабатывается регулятором напряжения. Эталонное напряжение U_э имеет синусоидальную форму и неизменную амплитуду U_м.

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

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

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

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

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

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

Среднее выпрямленное напряжение и возбуждение генератора уменьшатся.

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

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

Рис. 4. Формирователь импульсов с блокинг-генератором

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

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

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

Изучение работы тиристора (Лабораторная работа № 19), страница 2

Рис.19.5

          Изменяя величину резистора R, можно менять фазовый сдвиг между напряжением на аноде тиристора U_a и на управляющем электроде U_y (рис.19.6). Напряжение U_y вызывает соответствующий ток управляющего электрода  i_y.

Рис.19.6

          Очевидно, что тиристор откроется в тот момент времени t, когда соотношение между U_a и U_y будет соответствовать какой либо точке на пусковой характеристике тиристора (рис.19.4). В момент включения через тиристор и R_н потечет ток i_a, а величина тока управляющего электрода станет очень маленькой. Падение напряжения на открытом тиристоре тоже станет очень маленьким.

          В некоторый момент времени t₂ тиристор закроется. Изменяя фазовый сдвиг между напряжениями U_а и U_у, можно сдвигать момент отпирания t₁ тиристора и, таким образом, изменять продолжительность открытого состояния тиристора t₂– t₁. Тем самым можно регулировать средний за период ток через R_н.

Экспериментальная часть

Ознакомление с тиристором и снятие его характеристик производится на лабораторном макете. На мекете расположен тиристор, некоторые вспомогательные элементы и гнезда для подключения приборов. Схема

для проведения измерений представлена на  рис.19.7.

Рис.19.7

          Для создания управляющего тока используется выход «3¸9V» источника питания УИП-2. Гнездо «+» этого выхода соединяется с верхним по схеме концом резистора R₁, а гнездо «-» – с нижним концом резистора R₂. Резисторы R_{1и R2 образуют делитель напряжения, необходимый для более главной регулировки тока управляющего электрода тиристора, в дополнении к регулировке на передней панели УИП-2. Миллиамперметр mА1 предназначен для измерения тока через тиристор. Напряжение на анод тиристора при выполнении упражнений подается с выхода «20¸300 V» источника питания УИП-2.}

          Резистор R₃ является ограничительным для управляющего электрода тиристора, резистор R₄ ограничивает ток через тиристор. Он может также использоваться для более точных измерений этого тока посредством измерения на нем падения напряжения цифровым вольтметром. Вольтметр V обеспечивает снятие вольтамперной характеристики тиристора.

Упражнение 1. Снятие пусковой характеристики тиристора.

          Собрать схему согласно рис.19.7. Особое внимание обратить на правильное включение в схему проводов, идущих от выхода «20¸300 V» источника УИП-2. При этом не подавать на схему с выхода «20¸300 V» источника УИП-2 напряжение более 70 В. Регулятор напряжения поставить в положение «20¸70 V».

          Пусковую характеристику тиристора, т.е. зависимость между поненциалом включения тиристора по аноду и током через управляющий электрод, будем снимать на «постоянном токе», установив напряжение U_а с выхода «20¸300 V» источника УИП-2 соответственно 20 В, 30 В, 40 В, 50 В, 60 В. Регулятор напряжения УИП-2 с выходом «+3¸9 В» должен быть предварительно выведен до отказа поворотом против часовой стрелки. Установив анодное напряжение U_а, медленно поворачивать ручку регулятора напряжения «3¸9 В» по часовой стрелке. Следить при этом за показанием миллиамперметра mА_1. При появлении анодного тока (показания миллиамперметра mА₂), зафиксировать значения управляющего тока i_y. Увеличивая значения управляющего тока i_y от 1 мА с шагом 0,1 мА фиксировать значения анодного тока по прибору mА_2. Измерение проводить до тех пор, тиристор не откроется: стрелка миллиамперметра mА₂ резко отклонится вправо, при этом показания цифрового вольтметра V будут минимальными. Записать показания приборов V и mА₁для выставленной величины анодного напряжения, зафиксировать при этом также величину i_y. Аналогичные измерения произвести для указанных выше значений анодного напряжения. По полученным данным сделать выводы о величине пускового тока на управляющем электроде тиристора и его влияние на значение анодного напряжения и анодного тиристора.

          Упажнение 2.   Снятие вольтамперной характеристики тиристора.

          Характеристику «снимаем на постоянном токе», согласно схемы, представленной на рис. 19.7. Установив значение управляющего тока, близкое к i_y, при котором тиристор открывался в предыдущем упражнении, медленно увеличиваем напряжение Е_а, при этом снимаем зависимость между U_а – напряжением на аноде тиристора, измеряемое цифровым вольтметром V, и током i_а, текущим через тиристор. Показания снимаем через каждые 0,5В по прибору V, начиная с нуля. Результаты измерений заносим в таблицу 19.1.

Таблица 19.1

Ua, B				70
Ia2, мА

          Аналогичные измерения сделать для кокого-либо значения i_{упр(по указанию преподавателя). Измерения проводить не менее трех раз. Зависимость между Uаи iа  изобразить графически. Оценить погрешность полученных результатов.}

          Установить значение i_упр, при котором тиристор находится в открытом состоянии. Увеличивая значение Е_а от 0 до 70 В, проследить за изменением U_{аи iапо указаниям приборов V и мА2. Объяснить наблюдаемые зависимости. Сделать выводы.}

Контрольные вопросы

1.  Как устроен тиристор, какие они бывают?

2.  Какой вид имеет вольтамперная характеристика тиристора, динистора?

3.  Почему при некотором напряжении на тиристоре происходит его включение?

4.  Объяснить действие управляющего элемента тиристора.

5.  Объяснить принцип фазового управления величиной переменного тока через нагрузку с помощью тиристора.

Литература

1. Алексеенко А.Г., Шагурин Н.И. Микросхемотехника: Уч. Пособие для ВУЗов/ Под ред. Степаненко И.П./.- М.: Радио и связь, 1982.- 416с.

2. Богданович Б.Н., Ваксер Э.Б. Крткий радиотехнический справочник.- М. «Беларусь», 1976г., 335с.

3.  Калашников С.Г. Электричество.- М., 1977, §§ 152,153.

4.  Жеребцов И.П. Основы электроники.- М., 1974, §§ 9-2.

Лабораторная работа № 19.

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТИРИСТОРА

🚀 Доклад на тему “Схемы управления тиристорами”

Отпирание тиристоров с помощью сигнала управления может осуществляться от источника постоянного, переменного и импульсного токов. Использование источников постоянного и импульсного токов характерно для управления триодными и запираемыми тиристорами, причем управление запираемыми тиристорами имеет ряд особенностей, связанных с возможностью включения и выключения прибора с помощью управляющего электрода импульсами различной полярности. Симметричный тиристор по своему назначению является переключателем переменного тока, поэтому для управления им часто используют источники переменного напряжения.

Требования, предъявляемые к схемам управления, вытекают из физических и конструктивных особенностей самих приборов, поэтому параметры входной цепи удобно рассмотреть с помощью диаграммы управления, приведенной на рис. 1.

Рис.  1 Диаграмма управления.

В поле, ограниченном кривыми ОА и ОВ, можно различить три области. В области тиристор не включается. В области   II   включение тиристоров  не  гарантируется.   Границы  этой,   области    ограничены параметрами цепи управления: током спрямления Iспр и напря­жением спрямления Uспр. Заштрихованная область III определяет рабочее состояние тиристора. Сверху область III ограничена кривой максимально допустимой входной мощности Ру.макс (кривая 1). В зависимости от изменения температуры окружающей среды грани­цы заштрихованной области могут перемещаться влево и вниз.

Для   надежного   включения  тиристора  источник  управляющего сигнала должен быть рассчитан на ток и напряжение, которые долж­ны лежать в заштрихованной области, не превосходя при этом зна­чений, указанных в технических условиях. Условиями надежного от­тирания тиристоров являются:

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена доклада

Iу≤Iспр; Uу≥Uспр; IуUу≤Pу.макс,

Iспр — ток спрямления; Uспр — напряжение спрямления.

Линия нагрузки (кривая 2) строится из точки Еу под углом α, котангенс которого пропорционален ограничительному сопротивлению Rу, включая внутреннее сопротивление источника.

В технических условиях на тиристоры приводятся параметры Uу и Iу, измеренные на постоянном токе, однако управление от источ­ников постоянного тока не нашло широкого применения. Более эффективно управление тиристорами ст источников переменного на­пряжения (фазовое управление).

Однако способность тиристоров работать в импульсных режи­мах позволяет использовать для их управления наиболее экономич­ные импульсные источники тока. В этом случае тиристоры включают кратковременными сигналами определенной амплитуды и длительности, причем амплитуда входного сигнала может значительно пре­вышать постоянный входной ток, а. входная мощность определяется из условия

где Q — скважность импульсов.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена доклада

Продолжительность импульса ограничивается промежутком вре­мени, необходимым для того, чтобы к концу импульса управления анодный ток по величине превзошел величину тока Iвыкл тиристо­ра. С другой стороны, чем меньше длительность запускающего импульса, тем меньше потери на управляющем   электроде    при­бора   и тем  меньше требуется

мощность    от    источника   для управления.    Поскольку    рост анодного тока определяется параметрами силовой схемы, а также режимом нагрузки, дли­тельность запускающего им­пульса выбирается такой, что­бы во всех случаях обеспе­чить надежное отпирание тири­стора.

Для надежного переключе­ния тиристора в общем случае необходим    запускающий    им­пульс длительностью

Рис.  2 Зависимость максимального значения импульсного тока управления (или напряжения) от длительности импульса управления

Однако величина τу может быть значительно снижена за увеличения амплитуды запускающего импульса. Как видно из рис. 2, при увеличении максимального значения амплитуды запускаю­щего импульса длительность τу уменьшается и, для тиристоров типа КУ201, Д238, Д235 может быть выбрана в пределах от 1,5 до 3,0 мксек.

Выбор того или иного способа управления тиристорами зависит от требований, предъявляемых к конкретной схеме, и назначения данного устройства.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Заказать доклад

Схемы управления тиристорами

Управление тиристорами наи­более эффективно при использовании источников переменного и импульсного  напряжения.   Ниже  будет расмотрен ряд схем, которые можно использовать для управления триодными и симметричными тиристорами.

Рис.  3 Ток и напряжение цепи переменного тока.

а – триодного тиристора;

б – диаграмма работы;

в – симметричного тиристора;

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена доклада

г – диаграмма работы симметричного тиристора.

В схеме на рис. 3,а тиристор отпирается в момент подачи сигнала управления и в течение интервала вре­мени (t1<t<π) через него протекает ток, определяе­мый параметрами нагрузки (рис. 3,6).

Когда на управляющий электрод тиристора сигналы управления не поступают (интервал 0<t<t1) или если к тиристору приложено обратное напряжение (интер­вал t2<t<t3), то приложенное напряжение практически полностью падает на тиристоре, т. е. он заперт. Изменяя угол открытия а, можно регулировать ток в нагрузке в течение положительного полупериода питающего на­пряжения.

В схеме на рис. 3,в симметричный тиристор прово­дит в течение положительного и отрицательного полу­периодов. Если нагрузка ZH носит чисто активный характер, то при включении тиристора СТ форма кривой тока повторяет форму кривой приложенного напряжения. В этом случае угол закрытия β всегда равен π.

В  случае индуктивной  нагрузки  необходимо  приме­нять специальные меры по уменьшению допустимой ско­рости нарастания напряжения du/dt. Как видно из гра­фика на рис. 3,г,  при  прохождении тока  через нуле­вое значение питающее напряжение в этот момент имеет значительную величину    противоположной    полярности. При запирании тиристора СТ при нулевом токе его на­пряжение целиком прикладывается к тиристору с высо­кой скоростью, что может привести к выходу прибора из строя или включению его без  подачи входного сиг­нала. Для уменьшения скорости нарастания напряжения силовые электроды тиристора шунтируют RС-цепью.

Управление симме­тричными тиристорами можно производить и непосредственно от се­ти переменного тока (рис. 4).

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Рис.  4 Схемы подачи импульса запуска на симметричный тиристор

Когда в схеме  (рис. 4) контакт К реле Р разомкнут,    к  управляю­щему электроду тиристорa СТ сигнал не поступа­ет и он заперт. При   за­мыкании  контакта К  на вход тиристора СТ через ограничительный резистор Ry поступает сигнал и пе­реключает прибор в про­водящее состояние.   Бу­дучи   включенным, тири­стор СТ шунтирует цепь контакта   К, ограничивая ток через него.

В отличие от схемы, изображенной на  рис.  4,а, в схеме на рис. 4,б контакт К нормально замкнут. При размыкании контакта К на вход тиристора СТ подается запускающий сигнал и прибор включается. Когда кон­такт К замкнут, вход тиристора  СТ зашунтирован.

Рис.  5 Схема управления триодными тиристорами.

На рис. 5 приведена схема управления триодными тиристорами, которые включены встречно — параллельно. Управляющие импульсы формируются из анодного на­пряжения, поэтому работоспособность схемы не зависит от характера нагрузки. Резистор R предназначен для ограничения величины тока управления. При замыкании ключа К отпирается один из тиристоров ТТ1 или ТТ2, к аноду которого в этот момент приложено положительное напряжение. Запирание тиристоров производится при прохождении тока через нулевое значение.

Рис.  6 Схемы управления симметричным тиристором.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена доклада

В схеме на рис. 6,а в качестве ключа применен транзистор Т. В исходном состоянии все напряжение сети приложено к первичной обмотке трансформатора Тр2 и на управляющем электроде тиристора СТ сигнал отсутствует.   При    подаче   на входные клеммы транзистора Т входного сигнала  он  открывается    и    закорачивает вторичную   обмотку    трансформатора Тр2. Все напряжение сети прикладывается   к трансформатору Tp1 и через диоды Д1 и Д2 поступает на вход тиристора СТ.  Тиристор СТ отпирается, и через  нагрузку Rн начинает протекать ток: напряжение    на    трансформаторе Tp1 уменьшается, что приводит к исчезновению сигнала управления. Процесс отпирания тиристора СТ повторяется каждый полупериод питающего напряжения, обеспечивая на его входе сигнал управления положительной полярности.

В схеме, приведенной на рис. 6,б, для коммутации управляющего сигнала применен магнитоуправляемый контакт МУК.

Рис.  7 Схема фазового управления симметричным тиристором.

На рис. 7 изображена    двухполупериодная схема с управлением по фазе, которая предназначена для питания нагрузки переменным напряжением. В этой схеме применены    основной — тиристор  СТ    и    вспомогательный— диодный тиристор СД. С помощью тиристора СД осуществляется управление тиристором  СТ импульсами различной полярности.  Кроме того, тиристор СД позволяет уменьшить мощность рассеивания на управляющем электроде СТ в промежутках между импульсами. Полярность заряда  конденсатора  С1 меняется  каждый полупериод. Обладая двухсторонней проводимостью, тиристор СД позволяет конденсатору С1 поочередно разряжаться. При положительной полуволне питающего напряжения на управляющий электрод тиристора СТ поступает положительный импульс и прибор переключается в первом квадранте вольтамперной характерней (UС>0).

При изменении полярности приложенного напряжения переключение тиристора СТ происходит третьем квадранте его вольтамперной характеристики (UС<0). Для уменьшения влияния нагрузки на фазосдвигающую цепь R1C1 в схему включен резистор R3. Для увеличения предела регулировки угла отпирания тиристора СТ параллельно цепи R1C1 включена вспомогательная цепь R2C2.

Для управления тиристорами применяются генераторы запускающих импульсов, схемы которых можно выполнить на транзисторах, двухбазовых и туннельных диодах, магнитных элементах, а также на маломощных тиристорах. Выбор ключевого элемента для генератора запускающих  импульсов зависит от назначения схемы, а также от требований, предъявляемых к параметрам входного сигнала.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена доклада

Рис.  8 Схемы формирования импульсов управления.

На рис. 8,а приведена схема релаксационного гене­ратора, выполненная на двухбазовом диоде (однопереходном транзисторе).

Двухразовый диод имеет три вывода: эмиттер (Э), базу 1(Б1), базу 2(Б2). Участок между базами Б1 и Б2 имеет характер линейного омического сопротивления. При напряжении на эмиттере UЭ, меньшем некоторой максимальной величины Uэ.макс, переход эмиттер — база (Б1) смещен в обратном направлении и двухбазовый диод закрыт. Для включения двухбазового диода необходимо выполнение следующих    условий: Uэ=Uэ.макс и Iэ>Iэ.макс.

Рассмотрим работу схемы. От источника Е конденсатор С заряжается через резистор R1. Как только на­пряжение на эмиттере достигнет значения Uэ.макс, диод ДБД открывается, а конденсатор С разряжается через сопротивление нагрузки RH. Когда напряжение эмиттере достигнет величины   Uэ=Uэ.выкл,  ДВД перестает проводить. В дальнейшем    цикл    включения повторяется.

Резистор R2 защищает двухбазовый диод от перенапряжений и стабилизирует его работу при колебаниях температуры окружающей среды.

Резистор R1 выбирается из условия обеспечения необходимого тока для отпирания двухбазового диода, т.е. чтобы Iэ>Iэ.макс.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Сопротивление нагрузки RH должно быть достаточно малым, чтобы напряжение Uн, обусловленное междуба­зовым током при закрытом диоде, не превышало напря­жения, необходимого для отпирания тиристора, т. е. Uн≤Uу.мин. С учетом этого условия сопротивление рези­стора Rh следует выбирать в соответствии с неравенст­вом

где Rб1б2 — междубазовое сопротивление двухбазового диода.

На рис. 8,б приведена схема генератора импульсов.

В течение положительного полупериода питающего напряжения конденсатор С1 заряжается через диод Д1 с постоянной времени τ, которую можно регулировать с помощью потенциометра R1. Напряжение, снимаем с конденсатора С1, одновременно выполняет две функции: является напряжением питания и служит сигналом управления. Транзисторы Т1 и T2 представляют собой спусковую схему, которая включается при подаче напряжения с конденсатора С1.

Когда открываются транзисторы, конденсатор С1 paзряжается через них и через сопротивление нагрузки Rн и на выходе схемы формируется импульс. Передний фронт этого импульса определяется постоянной времени разряда конденсатора. Так как время разряда C1 много меньше   полупериода    питающего напряжения,  после окончания работы спусковой схемы на конденсатор подается напряжение того же  полупериода и он   вновь заряжается. В случае если напряжение на конденсатор C1 к концу повторного заряда будет больше или равно порогу срабатывания спусковой схемы, на нагрузке появится очередной импульс. В дальнейшем цикл включения повторяется.

Количество импульсов в пачке можно регулировать изменяя постоянную времени заряда. Увеличить импульсов в пачке можно также, изменив напряжение источника  питания или  величину  емкости  конденсатоpa C1.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена доклада

Для управления мощными   тиристорами, когда оказываются непригодными транзисторы, часто применяются   схемы    управления    на    маломощных   тиристорах (рис. 8,в). В качестве накопителя энергии чаще всего используется   искусственная  линия   из LC-звеньев, что позволяет получить на нагрузке близкую  к  прямоугольной форму импульса.

Рис.  9 Схема отпирания тиристора

В паузах между импульсами, когда тиристор заперт, конденсаторы      формирующей линии   ЛФ    через    зарядный дроссель   L0   резонансно заряжаются до   напряжения,  приблизительно равного удвоенному значению  напряжения источника питания. В момент подачи на управляющий электрод запускающего  импульса тиристор ТТ отпирается, а линия ЛФ разряжается через нагрузку, формируя на ней близкий к прямоугольной форме импульс с параметрами, определяемыми характеристиками линии ЛФ. Для управления тиристорами часто применяют импульсные трансформаторы (рис. 9),  которые хорошо обеспечивают развязку входной цепи приборов от генератора запускающих импульсов. С целью улучшения формы входного импульса в цепь управляющего электрода включают вспомогательные элементы.

Для отпирания тиристора с помощью импульсного трансформатора необходимо, чтобы напряжение Uу удовлетворяло условию Uу>RогрIспр, а длительность входного импульса τу была бы большей времени tвкл, т.е. τу>tвкл.

Рис.  10 Цепь отпирания триодного тиристора с кремниевым диодом во входной цепи

Рис.  11 Цепь отпирания триодного тиристора с разделительным конденсатором

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Рис.  12 Цепь отпирания триодного тиристора с импульсным трансформатором

Запирание тиристоров

Для переключения тиристоров из проводящего состояния в запертое необходимо снизить анодный ток до величины, меньшей Iвыкл  ,или подать на анод прибора импульс отрицательной полярности по отношению к катоду. Такие способы запирания характерны   для диодных,   триодных   и симметричных тиристоров. Обычно в схему вводятся специальные эле­менты,   обеспечивающие   запирание   тиристоров с по­мощью вспомогательных    цепей прерывания   тока, что характерно при питании схем от источника постоянного тока.

При использовании источника переменного тока за­пирание тиристоров осуществляется в момент перехода тока через нулевое значение.

Существуют многочисленные схемы, которые приме­няются для запирания тиристоров. Некоторые из них будут рассмотрены далее.

Основным способом, применяемым для запирания тиристоров, является использование коммутирующего конденсатора, который включается в анодную цепь ти­ристора, как показано на рис. 13, а.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Заказать доклад

Если тиристор ТТ2 отперт, конденсатор С заряжает­ся через резистор R1 до напряжения источника с поляр­ностью, указанной на рисунке. Когда отпирается тири­стор ТТ1 напряжение конденсатора прикладывается к ТТ2, смещая его в обратном направлении. Постоянная времени RC выбирается достаточно большой, чтобы обратное напряжение сохранилось в течение времени, не­обходимого для запирания тиристора.

Рис.  13 Схемы запирания тиристора

В схеме на рис. 13,б запирание ТТ осуществляется за счет подключения параллельно тиристору LC-контура. Когда тиристор заперт, конденсатор С заряжен до напряжения источника литания. В момент отпирания ТТ конденсатор С перезаряжается через индуктивность L и через полпериода собственной частоты контура

полярность его меняется на обратную. В следующий по­лупериод ток перезаряда конденсатора протекает через ТТ навстречу току нагрузки и, когда суммарный ток станет равным нулю, тиристор ТТ запрется.

В схеме, приведенной на рис. 13, в, запирание тири­стора осуществляется импульсом, возникающим во вто­ричной обмотке трансформатора, включенного в катодную цепь прибора.

В схеме на рис. 13, г запирание тиристора осущест­вляется с помощью импульса тока от внешнего источ­ника. В проводящем состоянии ток протекает через тири­стор ТТ и нагрузку Rн. Для запирания тиристора на базу транзистора Т подается запускающий импульс. После открывания Т источник Е2 оказывается прило­женным к тиристору ТТ и запирает его. В этой схеме время включенного состояния транзистора должно быть равно времени tвыкл тиристора ТТ.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Заказать доклад

Список используемой литературы

1)   И.И. Дзюбин. Тиристоры в электронных схемах. М., «Энергия», 1972.

2)   Кублановский Я.С. Тиристорные устройства – М.: Энергия, 1978

3)   Кузьмин В. А.Тиристоры малой и средней мощности. М., «Советское радио», 1971

4)   Горохов В.А., Щедрин М.Б. Физические основы применения тиристора в импульсных схемах. М., «Советское радио», 1972.

Экспериментальное определение основных характеристик тиристоров

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№6

Экспериментальное определение основных характеристик

тиристоров

ТЕОРИЯ

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, на ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристор представляет собой электронный ключ, который может находиться в двух устойчивых состояниях: открытом и закрытом. По количеству выводов различают диодный тиристор (динистор), обладающий двумя выводами (анод и катод), триодный тиристор (тринистор), имеющий три вывода – анод, катод и управляющий электрод, тетродный тиристор (симистор), имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Основное назначение тиристора – безобрывная (электронная) коммутация электрических цепей.

Тиристор имеет структуру p–n–p–n, т.е. имеет 3 p–n– перехода. Он имеет 3 вывода, называемые – анод, катод и управляющий электрод.

Рассмотрим работу диодного и триодного тиристора. На рис. 1 приведены структурные схемы тиристоров. Объемы полупроводников, прилегающие к выводам катода (К) и анода (А) называются соответственно первым и вторым эмиттерами, к первому эмиттеру прилегает первая база, ко второму – вторая база.

Рис.1. Структуры тиристоров

В тиристоре различают первый (П1) и второй (П3) эмиттерные переходы, средний переход называется коллекторным (П2), а управляющий электрод Уэ – со слоем P₁ или N₂.

На рис. 2 показана возможная схема включения триодного тиристора. Положительное относительно катода напряжение U_a подается на анод, а управляющее напряжение U_y – на управляющий электрод. При такой полярности внешнего напряжения коллекторный переход П2 оказывается под обратным напряжением, а эмиттерные переходы П1и П3 – под прямым. Ток через П2, а следовательно, и ток тиристора равен

,

где и коэффициенты передачи эмиттеров. Откуда:

. (1)

Учитывая, что ток зависит от обратного напряжения на коллекторном переходе, а коэффициенты – от тока I, формула (1) представляет собой уравнение ВАХ тиристора в неявной форме (рис.3.). При положительном напряжении на аноде (участок ОБ) через тиристор протекает очень маленький

Рис.2 Возможная схема включения тиристора.

ток – тепловой ток П2, равный нескольким десяткам микроампер). Это объясняется тем, что почти все внешнее напряжение падает на закрытом П2, прямые токи П1 и П3 очень малы и лишь незначительно превышают их тепловые токи. Кроме того, при таких токах эмиттеров коэффициенты передачи и очень малы (обычно не более 0,1…0,2). С повышением напряжения на аноде увеличивается ток I (за счет обратного тока , зависящего от внешнего напряжения). При этом увеличиваются коэффициенты передачи эмиттеров и растет инжекция носителей заряда. Электроны, инжектируемые Э1 через коллекторный переход попадают в базу Б2, которая является своеобразной “ловушкой” для них. В базе Б2 возрастает неравновесный отрицательный заряд, снижающий ее потенциал, что, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок из Э2. Эти дырки, попадая через П2 в базу Б1 увеличивают в ней неравновесный положительный заряд (база является “ловушкой” для дырок) и, следовательно, инжекцию электронов из Э1. Таким образом, в тиристоре возникает положительная обратная связь, которая приводит к увеличению анодного тока I. Следует отметить, что определенную роль в увеличении тока I может играть механизм ударной ионизации и лавинного размножения носителей заряда в закрытом коллекторном переходе.

Рис.3. ВАХ тиристора при различных токах на управляющем электроде.

Пока суммарный коэффициент , тиристор находится в закрытом состоянии (участок ОБ рис.3.). По мере приближения напряжения к некоторой величине U_ВКЛ значение стремится к 1 и начинается переключение тиристора.

Дальнейшее зависит от условий измерений:

1. Если напряжение U_А подается от генератора напряжения (т.е. источника питания с малым внутренним сопротивлением) анодный ток I будет неограниченно возрастать [1- в выражении (1) стремится к нулю] и прибор выйдет из строя.

2. Если в эксперименте используется генератор тока (т.е. источник тока с большим внутренним сопротивлением), то можно получить характеристику (на участке АВ) с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок СВ). На этом участке малому увеличению тока будет соответствовать сильное уменьшение напряжения на тиристоре. Такая сильная зависимость обусловлена рассмотренной ранее положительной обратной связью, которая при [1- ≈ 0] очень глубокая. Физически уменьшение напряжения происходит за счет компенсации зарядов ионов доноров и акцепторов в коллекторном переходе электронами и дырками, накапливающимися в базах тиристора вблизи перехода. Толщина коллекторного перехода уменьшается и потенциальный барьер в нем, определяющий напряжение на тиристоре, уменьшается. При достижении точки С все три перехода тиристора оказываются смещенными в прямом направлении, и тиристор открывается (напряжение U_А>>1В). Вид ВАХ на участке СА (открытого тиристора) в основном определяется объемными сопротивлениями эмиттерных и базовых областей тиристора.

3. На практике обычно применяют источник напряжения с внутренним сопротивлением R намного меньшим, чем отрицательное дифференциальное сопротивление тиристора на участке BС. При этом переключение из закрытого состояния в открытое произойдет скачкообразно, как изображено на рисунке 3 (работает положительная обратная связь). Аналогично произойдет и выключение тиристора при уменьшении напряжения. Точке С соответствует ток I_УД – удерживающий ток тиристора, то есть минимальный ток, необходимый для поддержания открытого состояния тиристора.

При подаче отрицательного напряжения на анод тиристора относительно катода коллекторный переход оказывается смещенным в прямом направлении, а эмиттерные переходы П1 и П2 – в обратном. Ток через тиристор мал. При больших отрицательных напряжениях может произойти пробой эмиттерных переходов, однако, этот режим является нерабочим.

Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рис. 1). При наличии в цепи управляющего электрода тока I_У ток через эмиттерный переход П1 увеличивается, следовательно условие перехода тиристора из закрытого состояния в открытое >>1, будет достигаться при меньшем напряжения включения U_ВКЛ (рис.3). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода I_У можно изменять величину напряжения включения U_ВКЛ.

Основными параметрами динистора являются:

− напряжение прямого переключения U_вкл;

− допустимое обратное напряжение U_обр;

− остаточное напряжение U_ос, напряжение на открытом тиристоре, при номинальном токе;

− номинальный ток нагрузки I_н;

− минимальный ток удержания I_удер, значение тока, меньше которого средний n-p-переход закрывается;

− ток утечки I_ут, соответствующий прямому напряжению U_вкл /2;

− время включения τ_вкл ≈ 10-30 мкс;

− время выключения τ_выкл ≈ 20-30 мкс;

− Р_OСmax – максимальная рассеиваемая мощность в открытом состоянии.

Триодный тиристор имеет все те же параметры, что и динистор. Кроме того, его параметрами являются:

− номинальный управляющий ток I_у.ном;

− номинальное управляющее напряжение U_упр;

− ток спрямления I_спр, представляющий собой управляющий ток, при котором напряжение прямого переключения становится равным остаточному напряжению открытого тиристора U_ос.

В настоящее время для управления мощностью переменного тока широко используют симисторы, у которых вольтамперная характеристика одинакова в I и III квадрантах, т.е. является симметричной.

Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением специальных пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами.

Промышленностью выпускаются тиристоры на токи 1-2000А и напряжения включения 100-4000В, широко применяемые в управляемых выпрямителях и инверторах. Тиристоры находят широкое применение в радиосвязи, радиолокации, устройствах автоматики как управляющие ключи.

Основным достоинством тиристоров, по сравнению с биполярными транзисторами, является возможность переключения короткими импульсами тока управляющего электрода (меньшее потребление энергии в цепи управления). К недостаткам тиристоров следует отнести значительно большие времена переключения (единицы миллисекунд – сотни микросекунд).

Общие сведения

Тиристоры – переключающие полупроводниковые приборы, имеющие четырёхслойную структуру. Они имеют два устойчивых состояния: открытое (проводящее) и закрытое (непроводящее). Они выпускаются с двумя или тремя выводами. В первом случае они называются динисторами (или диодными тиристорами) во втором -тринисторами (триодными или управляемыми тиристорами). Их условные обозначения показаны на рис. 2.10.1. Выводы обозначаются: А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод. Производятся также симметричные динисторы и тиристоры (симисторы), которые могут проводить ток в обоих направлениях и эквивалентны двум динисторам или тиристорам, соединённым встречно – параллельно.

Рис. 4

Четырёхслойная структура динистора представлена на рис.2.10.2а. Для уяснения принципа действия четырёхслойный прибор можно представить как два трёхслойных прибора (рис. 2.10.26) или два транзистора, соединённых как показано на рис. 2.10.2 в.

Рис. 5

При прямом приложенном напряжении, показанном на рисунках, левый и правый p-n переходы открыты, а средний закрыт. Через тиристор протекает лишь незначительный ток неосновных носителей (рис. 2.10.2г). По мере увеличения прямого напряжения энергия носителей заряда, проходящих через запертый n1-p2 увеличивается и при некотором напряжении (б’вкл) возникает ударная ионизация атомов полупроводника в зоне щ – рг перехода, ток резко возрастает, два транзистора (рис. 2.10.2в) открываются, напряжение на тиристоре резко падает, и он переходит в открытое состояние. Вольт-амперная характеристика открытого тиристора аналогична вольт-амперной характеристике диода. При снижении тока тиристор остаётся в открытом состоянии до некоторого небольшого тока, называемого током удержания (/уд). Он несколько меньше тока включения, показанного на рис. 2.10.2г.

Управляемые тиристоры имеют кроме основных выводов «Анод» и «Катод» третий вывод «Управляющий электрод». Он показан на рис. 2.10.2в пунктиром. Подавая на него импульс тока положительной полярности, мы принудительно открываем один из транзисторов, второй транзистор также открывается, так как через его базу начинает протекать ток коллектора другого транзистора. Напряжение включения уменьшается, как показано на рис. 2.10.2г пунктиром. При токе управления, превышающем открывающий ток управления (/ ₀ткр. у) вольт-амперная характеристика тиристора полностью аналогична характеристике диода.

Важно, что управляемый тиристор остаётся во включенном состоянии и после снятия управляющего тока. Он выключается только при снижении тока через него ниже тока удержания. Причём, для того чтобы тиристор не включился самопроизвольно при следующей подаче на него прямого напряжения, он должен находиться в выключенном состоянии определённое время, называемое временем восстановления запирающих свойств. Кроме того, скорость нарастания анодного напряжения не должна превышать для данного типа тиристоров допустимую величину.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Задание

Снять статические вольт-амперные характеристики динистора, управляемого тиристора и триодного симистора. Определить напряжение включения динистора, минимальные открывающие ток тиристора и симистора, токи удержания.

Порядок выполнения эксперимента

1. Соберите цепь для снятия вольт-амперной характеристики динистора согласно схеме (рис. 6).

2. Плавно увеличивая напряжение регулируемого источника напряжения, определите напряжение включения динистора (это наибольшее напряжение, при котором ток еще равен нулю, при дальнейшем увеличении напряжения источника ток возрастает скачком, а напряжение на динисторе скачком уменьшается). Запишите значение Uвкл в табл. 2.10.1.

Рис. 6

3. Плавно уменьшая напряжение регулируемого источника напряжения, определите ток удержания динистора (это наименьшее значение тока, при котором динистор еще остается включенным, при дальнейшем снижении напряжения источника ток скачком падает до нуля, а напряжение на динисторе скачком возрастает). Запишите значение Iуд также в табл. 1.

4. Приведите динистор во включенное состояние и, уменьшая напряжение регулируемого источника, поочередно устанавливайте значения тока, указанные в табл. 1 и записывайте соответствующие напряжения на динисторе.

5. На рис. 7 постройте кривую зависимости тока от напряжения (вольт-амперную характеристику).

Таблица 1.

Рис. 7

6. Соберите цепь (рис. 8) для исследования характеристик управяемых тиристоров. Ручку потенциометра поверните вправо до упора (ток управления равен нулю).

7. Включите питание и, вращая ручку регулятора постоянного напряжения влево и вправо до упора, убедитесь, что тиристор закрыт, как при прямом, так и при обратном приложенном напряжении.

8. Оставьте ручку регулятора постоянного напряжения в крайнем правом положении, и потенциометром увеличивайте ток управления до тех пор, пока не включится лампочка, что свидетельствует о переходе тиристора в открытое состояние. Верните ручку потенциометра в правое крайнее положение и убедитесь, что и при отсутствии тока управления тиристор остаётся включённым.

9. Выключите тиристор кратковременным разрыванием анодной цепи или снижением приложенного напряжения до любого отрицательного значения.

10. Снова включите тиристор при максимальном приложенном напряжении, ток управления сделайте равным нулю и, уменьшая приложенное напряжение снимите вольтамперную характеристику (табл. 1) и постройте её график (рис.7).

11. Снова включив тиристор и, плавно уменьшая напряжение регулируемого источника напряжения, определите ток удержания тиристора (Определяйте его при токе управления равном нулю!). Запишите значение Iуд также в табл. 1.

Рис. 8

12. Медленно увеличивая ток управления потенциометром (при максимальном анодном напряжении и непроводящем состоянии тиристора), зафиксируйте ток управления, при котором происходит включение тиристора. Проделайте этот опыт несколько раз и запишите Iоткр.у в табл.1.

13. Замените тиристор симистором МАС97А6, сопротивление в цепи управления 10 кОм на 1 кОм и проделайте аналогичные опыты по определению Iоткр.у, при двух напряжениях питания: +13 В (ручка регулятора в правом крайнем положении) и – 13 В (ручка регулятора в левом крайнем положении). В каждом из этих случаев симистор может открываться как положительным током управления, так и отрицательным. Для получения отрицательного тока управления переключите питание потенциометра с гнезда +15 В на гнездо -15 В.

14. Снимите вольтамперные характеристики при положительном и отрицательном анодном напряжениях, определите токи удержания. Результаты запишите в табл. 1 и постройте графики на рис. 7.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему закрытое состояние тиристора устойчиво?

2. Сохранится ли открытое состояние тиристора при снятии сигнала управления?

3. Объясните физические процессы, ответственные за переключение тиристора из одного устойчивого состояния в другой.

4. В чем преимущества и недостатки тиристора перед транзисторными ключами и контактным переключателем?

5. В чем роль управляющего электрода?

6. Как возникает в тиристоре положительная обратная связь?

тиристоров 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 напряжении сети (линии).Простой пример тиристора, управляющего нагрузкой постоянного тока, такого 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 станет проводящим. 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.Любые дальнейшие действия пускового переключателя теперь не действуют. Тиристор выключится 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 в 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 любое необходимое значение тока более высокого значения.Использование тиристора с некоторыми подходящими дополнительными схемами могло бы 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 тому, чтобы цепи источника питания выдавали напряжение, превышающее 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 специалиста по обслуживанию для восстановления работоспособности 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 регулируемого 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 из-за каких-либо быстрых скачков напряжения, возникающих на линии 5 В, например, из-за других переключающих устройств в цепи, на которую подается питание. Таким образом, C1 подключается 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 показанным на рис. 6.1.2, широко используются, использование предохранителей для защиты сложных низковольтных полупроводниковых цепей может не обеспечить подходящей защиты.Однако улучшенная схема, которая может предотвратить ситуации перенапряжения без перегорания предохранителей и которая зависит только от почти мгновенного действия полупроводников, описана в нашем модуле источников питания 2.2 на последовательных регуляторах напряжения.

Принципы работы и работа тиристоров

Тиристор, также известный как SCR (кремниевый выпрямитель), представляет собой диод особого типа, который позволяет току течь только тогда, когда на его вывод затвора подается управляющее напряжение.Хотя это, похоже, не что иное, как переключатель, управляемый напряжением, следует отметить следующее: При наличии прямого тока (т.е. после тиристор включается подходящим напряжением затвора) он не выключится даже после снятия напряжения затвора. Тиристор выключится только тогда, когда прямой ток упадет до нуля. В цепи постоянного тока это делает устройство практически бесполезным, за исключением некоторых конкретных применений защиты (защиты от лома).

Чаще всего тиристоры используются в цепях переменного тока.В цепи переменного тока прямой ток падает до нуля в течение каждого цикла, поэтому всегда будет функция отключения. Однако это означает, что гейт необходимо запускать каждый цикл, чтобы снова включить его. Именно в относительном времени выполнения этих двух функций тиристору отводится самая важная роль – регулирование мощности. Обратите внимание на показанную форму волны ниже это соответствует типичному источнику переменного напряжения. Если тиристор включается в начале разряда положительного напряжения, то время его прямой проводимости увеличивается до максимума.Это означает максимальную мощность, передаваемую нагрузке. Соответственно, если он включен ближе к концу положительного экскурсии достигается минимальное время проводимости и минимальная мощность.
Посредством подходящего временного управления напряжением на затворе можно разработать грубый контроллер мощности, например, для управления уровнем нагрева простого резистивного нагревателя.

Как видно из схемы напротив, только половина цикла переменного тока доступна для управления, поскольку вся отрицательная половина находится в неправильном направлении для тиристора (действие диода).Это довольно расточительно, и гораздо лучший вариант – использовать два тиристора (спина к спине) для управления проводимостью в обоих направлениях. Устройство, специально разработанное для этого, называется TRIAC и показано ниже.

Все, что вам нужно знать о SCR

LGC400-10 – это система управления двигателем постоянного тока на базе SCR

Во-первых, что такое диод?

Диод – это электрический компонент, который позволяет электричеству течь в одном направлении, но не в другом.Он похож на обратный клапан, который пропускает воду, но не возвращает ее внутрь. Это также похоже на заслонку на выпускном отверстии. Если воздух течет в правильном направлении, сила воздуха открывает вентиляционное отверстие и позволяет дыму выйти. Как только воздух перестает дуть, сила тяжести закрывает заслонку, чтобы предотвратить попадание наружного воздуха, мусора, дыма или животных внутрь.

На рисунке ниже, когда входящая волна переменного тока является положительной, ток течет слева направо, поэтому диод пропускает ток.Когда волна переменного тока отрицательная, ток должен течь справа налево, поэтому диод блокирует его.

Диод пропускает ток только в одном направлении

Диодные мосты

Если используется только один диод (как показано выше) с входом переменного тока, выход называется полуволновым переменным током , потому что проходит только положительная половина линии переменного тока. Так как же нам воспользоваться преимуществами линии переменного тока, когда она находится в отрицательной части своей фазы? С диодным мостом .Если вы возьмете 4 диода и расположите их в виде ромба, как показано на рисунке ниже, выход диодного моста всегда будет положительным, независимо от того, положительный или отрицательный вход переменного тока. Этот выход известен как rectified AC .

Иллюстрация диодного моста для преобразования переменного тока в выпрямленный

Выпрямительный мост и тиристоры

В США источники питания переменного тока 115 В и 230 В имеют частоту 60 Гц.Это означает, что за 1 секунду происходит 60 полных волн. Таким образом, для выпрямленного переменного тока на выходе имеется 120 импульсов в секунду. Это настолько быстро, что двигатель постоянного тока работает так, как будто он питается от постоянного тока.

Итак, теперь мы знаем, как получить выпрямленное напряжение переменного тока и что оно может заставить двигатель постоянного тока вращаться, но как мы можем изменить скорость двигателя постоянного тока? Путем изменения напряжения на двигателе с помощью выпрямителей с кремниевым управлением (SCR) . SCR похож на диод, но с дополнительной возможностью включать и выключать его, так что электричество не только течет в одном направлении, но и течет только в этом направлении, когда вы хотите, чтобы поток был.Заменяя два диода на SCR, мы преобразуем диодный мост в выпрямительный мост и можем контролировать среднее значение напряжения на двигателе постоянного тока.

Использование тиристоров вместо двух входящих диодов преобразует диодный мост в выпрямительный мост

Одно заметное различие между выходами диодного моста и выпрямительного моста заключается в том, что выход SCR имеет задержку в начале каждого импульса.Это встроено в элементы управления двигателем SCR, чтобы предотвратить одновременное включение двух SCR. Если бы оба SCR были включены, это привело бы к короткому замыканию в линии переменного тока, которое привело бы к срабатыванию выключателей и / или предохранителей, а также, возможно, повредило бы SCR. Вот почему с линейным источником 115 В переменного тока максимальное напряжение, которое вы можете получить от управления тиристором, составляет 100 В постоянного тока, поэтому щеточные двигатели постоянного тока обычно рассчитаны на 90 В постоянного тока. При питании от сети 230 В переменного тока стандартные щеточные двигатели постоянного тока рассчитаны на 180 В постоянного тока.

Регулируемая скорость

Добавляя задержку перед включением SCR, мы не можем ограничить величину напряжения, допустимого на двигателе. Эта задержка называется фазовым углом. Чем выше фазовый угол, тем раньше включится тиристор и тем дольше будет разрешен выпрямленный выход на двигатель. На рисунке ниже показан выпрямительный мост с небольшим фазовым углом, приложенным к тиристорам, чтобы двигатель постоянного тока работал на более низкой скорости. Регуляторы двигателя SCR для щеточных двигателей постоянного тока обычно имеют 1.37 с диапазоном скорости 60: 1 для регулирования нагрузки 1%. Это означает, что вы можете рассчитывать снизить уровень типичного двигателя 90 В постоянного тока до 1,5 В постоянного тока и поддерживать отклонение в 1% (0,9 В постоянного тока в этом примере). Обычно наименьшая возможная скорость в любой комбинации SCR и двигателя постоянного тока определяется двигателем. Двигатели постоянного тока обычно начинают вращаться до того, как выходная мощность привода становится проблемой.

Иллюстрация тиристоров, используемых для ограничения величины напряжения на двигателе постоянного тока

Выход SCR при 20 В постоянного тока (таблица читается слева направо)	Выход SCR при 90 В постоянного тока (таблица читается слева направо)

Щелкните здесь, чтобы узнать о преимуществах и недостатках управления двигателями постоянного тока SCR.

Щелкните здесь, чтобы увидеть, что American Control Electronics предлагает нерегенеративное управление SCR, или здесь, чтобы увидеть предложения с регенеративным SCR.

Щелкните здесь, чтобы узнать об альтернативе SCR для управления двигателем постоянного тока, PWM.

2.11: Тиристоры – рабочая сила LibreTexts

Шокли предложил четырехслойный диодный тиристор в 1950 году. Он был реализован лишь несколько лет спустя в General Electric. Теперь доступны SCR для регулирования уровней мощности от ватт до мегаватт.Самые маленькие устройства, упакованные как малосигнальные транзисторы, переключают 100 миллиампер при напряжении около 100 В переменного тока. Самые большие упакованные устройства имеют диаметр 172 мм, коммутируют 5600 А при 10 000 В переменного тока. SCR наивысшей мощности может состоять из цельной полупроводниковой пластины диаметром несколько дюймов (100 мм).

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR): (a) профиль легирования, (b) эквивалентная схема BJT.

Кремниевый управляемый выпрямитель представляет собой четырехслойный диод с подключением затвора, как показано на рисунке выше (а).При включении он проводит как диод для одной полярности тока. Если не сработал, он не проводит. Работа объяснена в терминах эквивалента составного подключенного транзистора на рисунке выше (b). Положительный сигнал запуска подается между выводами затвора и катода. Это заставляет транзистор, эквивалентный NPN, проводить. Коллектор проводящего транзистора NPN тянет низкий уровень, перемещая базу PNP в сторону напряжения коллектора, что заставляет PNP проводить. Коллектор проводящего PNP тянет вверх, перемещая основание NPN в направлении его коллектора.Эта положительная обратная связь (регенерация) усиливает уже проводимое состояние NPN. Более того, NPN теперь будет проводить даже при отсутствии стробирующего сигнала. Как только SCR проводит, он продолжает работать до тех пор, пока присутствует положительное анодное напряжение. Для показанной батареи постоянного тока это навсегда. Однако тиристоры чаще всего используются с переменным током или пульсирующим постоянным током. Проводимость прекращается с истечением положительной половины синусоиды на аноде. Более того, наиболее практичные схемы SCR зависят от цикла переменного тока, идущего от нуля до отсечки, или переключает SCR.

На рисунке ниже (а) показан профиль легирования SCR. Обратите внимание, что катод, который соответствует эквивалентному эмиттеру NPN-транзистора, сильно легирован, как указывает N ⁺ . Анод также сильно легирован (P ⁺ ). Это эквивалентный эмиттер PNP-транзистора. Два средних слоя, соответствующие областям базы и коллектора эквивалентных транзисторов, менее легированы: N ^– и P. Этот профиль в тиристорах большой мощности может быть распределен по всей полупроводниковой пластине значительного диаметра.

Тиристоры: (a) поперечное сечение, (b) символ кремниевого управляемого выпрямителя (SCR), (c) символ запорного тиристора (GTO).

Схематические символы для SCR и GTO показаны на рисунках выше (b и c). Основной символ диода указывает на то, что проводимость от катода к аноду однонаправлена, как у диода. Добавление вывода затвора указывает на контроль проводимости диода. Выключатель выключения затвора (GTO) имеет двунаправленные стрелки вокруг вывода затвора, указывающие на то, что проводимость может быть отключена отрицательным импульсом, а также инициирована положительным импульсом.

В дополнение к широко распространенным SCR на основе кремния были произведены экспериментальные устройства из карбида кремния. Карбид кремния (SiC) работает при более высоких температурах и обладает большей теплопроводностью, чем любой металл, уступая алмазу. Это должно позволить использовать устройства с физической мощностью меньше или с большей мощностью.

Обзор

тиристоры
• являются наиболее распространенным членом семейства тиристорных четырехслойных диодов.
• Положительный импульс, приложенный к затвору SCR, запускает его в проводимость.Проводимость продолжается, даже если стробирующий импульс удален. Проводимость прекращается только тогда, когда напряжение между анодом и катодом падает до нуля.
SCR
• чаще всего используются с источником переменного тока (или пульсирующим постоянным током) из-за непрерывной проводимости.
• Выключатель затвора (GTO) может быть выключен подачей отрицательного импульса на затвор.
Выключатель
• SCR мегаватт мощности, до 5600 А и 10 000 В.

Что такое двигатель SCR? – Мворганизация.org

Что такое двигатель SCR?

Selective Catalytic Reduction (SCR) – это передовая система активной технологии контроля выбросов, которая впрыскивает жидкий восстановитель через специальный катализатор в поток выхлопных газов дизельного двигателя. Источником восстановителя обычно является мочевина автомобильного качества, также известная как жидкость для выхлопных газов дизельных двигателей (DEF).

Как SCR используется в управлении двигателем?

Скорость двигателя постоянного тока можно контролировать с помощью SCR в цепи переменного тока, как показано на рисунке ниже.Выпрямитель SCR A и B, отключающий напряжение трансформатора T1 и подающий это пульсирующее постоянное напряжение на обмотку якоря, а выпрямитель «C» подает аналогичные напряжения на обмотку возбуждения двигателя.

Какова цель SCR?

SCR

в основном используются в устройствах, где требуется управление высокой мощностью, возможно, в сочетании с высоким напряжением. Их работа делает их пригодными для использования в системах управления питанием переменного тока среднего и высокого напряжения, таких как регулировка яркости ламп, регуляторы мощности и управление двигателями.

Что такое SCR и как оно работает?

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 (защелкивания) путем приложения небольшого напряжения.

Как можно отключить SCR?

Когда анодный ток снижается ниже уровня тока удержания, SCR отключается. Напряжение меняется на противоположное каждые полупериод в цепи переменного тока, так что тиристор в линии будет смещен в обратном направлении каждый отрицательный цикл и отключится.

Может ли SCR преобразовывать переменный ток в постоянный?

SCR преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. В отличие от диода, который загорается при. После активации он будет оставаться включенным до тех пор, пока напряжение срабатывания затвора не будет снято или ток между анодом и катодом (также известный как ток удержания IH) не снизится до уровня ниже расчетного рабочего порога.

Тиристор преобразует переменный ток в постоянный?

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

Как SCR используется в качестве переключателя?

Когда пропускается соответствующий ток затвора, тиристор начинает сильно проводить и остается в этом положении неопределенно долго, даже если напряжение затвора снимается. Это соответствует состоянию ВКЛ. Однако, когда анодный ток снижается до тока удержания, SCR выключается.

Как SCR управляет мощностью?

SCR-регулятор может подавать электроэнергию на нагреватели несколькими способами: срабатывание по углу фазы, переключение при нулевом напряжении и управление включением / выключением.Эти элементы управления пропорционально включают процентную долю каждого полупериода линии электропередачи. Это обеспечивает плавное, бесступенчатое приложение мощности к нагревателям.

Почему SCR называется управляемым выпрямителем?

Диоды называются неуправляемыми выпрямителями, поскольку они проводят (в состоянии прямого смещения без какого-либо контроля) всякий раз, когда анодное напряжение диода превышает катодное напряжение. Следовательно, тиристор также называют управляемым выпрямителем или кремниевым выпрямителем.

Тиристор – это диод?

Как и диод, тиристор является однонаправленным устройством, то есть он будет проводить ток только в одном направлении, но, в отличие от диода, тиристор может работать либо как переключатель разомкнутой цепи, либо как выпрямительный диод, в зависимости от как срабатывает затвор тиристора.

Каковы преимущества тиристора перед диодом?

Преимущества SCR Он может выдерживать большие напряжения, токи и мощность. Падение напряжения на проводящем тиристоре невелико.Это уменьшит рассеиваемую мощность в SCR. Легко включить.

Можно ли использовать тиристор как диод?

Одно из важнейших различий между диодом и тиристором состоит в том, что диод представляет собой устройство с двумя выводами, используемое для выпрямления и переключения. В отличие от тиристора, это трехконтактное устройство, предназначенное для коммутации… .Сравнительная таблица.

Основа для сравнения	Диод	Тиристор (SCR)
Масса	Легкие	Сравнительно тяжелый

Как вы делаете SCR?

Как включить SCR? Как упоминалось ранее, SCR может быть включен либо путем увеличения прямого напряжения за пределы прямого разрыва по напряжению VFB0, либо путем подачи положительного сигнала затвора, когда устройство смещено в прямом направлении.

Как вы проверяете SCR?

Чтобы проверить SCR, подключите положительный вывод омметра к аноду, а отрицательный вывод к катоду. Омметр должен показывать отсутствие обрыва. Прикоснитесь затвором SCR к аноду. Омметр должен показывать обрыв цепи через SCR.

Что такое SCR и его характеристики?

A V-I характеристика SCR (выпрямителя с кремниевым управлением) – это вольт-амперная характеристика. Ток через тиристор изменяется при изменении напряжения на выводах между анодом и катодом и напряжении на выводах между затвором и катодом.

Как запускается и останавливается SCR?

Как только SCR начинает проводить, ворота теряют контроль. Даже если напряжение затвора снять, анодный ток вообще не уменьшится. Единственный способ остановить проводимость, то есть вывести тиристор в выключенное состояние, – это уменьшить подаваемое напряжение до нуля.

Когда SCR проводит?

В проводящем режиме тиристор действует как замкнутый переключатель. Падение напряжения на катоде и аноде будет примерно 0,7–1,8 В, в зависимости от размера тринистора и величины тока, протекающего через него.Когда катод и анод смещены в обратном направлении, ток через устройство не течет. Рисунок 12.21.

Как работает тиристор SCR?

SCR

– самые известные тиристоры. Как объяснено в общем описании тиристоров выше, тиристор остается зафиксированным даже при снятии тока затвора. Когда анодный ток становится равным нулю, тиристор перестает проводить и блокирует обратное напряжение.

Угол зажигания – обзор

18.3.2 Полностью управляемый трехфазный трехпроводной контроллер напряжения переменного тока

Нагрузка, подключенная звездой с изолированной нейтралью: Анализ работы двухполупериодного контроллера с изолированной нейтралью в качестве изображенный на рис.18.11c, как уже упоминалось, довольно сложен по сравнению с однофазным контроллером, особенно для RL или нагрузки двигателя. В качестве простого примера здесь рассматривается работа этого контроллера с простой R-нагрузкой, подключенной звездой. Шесть тиристоров включаются в последовательности 1-2-3-4-5-6 с интервалами 60 °, и стробирующие сигналы поддерживаются во всем возможном угле проводимости.

Осциллограммы выходного фазного напряжения для α = 30 °, 75 ° и 120 ° для сбалансированной трехфазной R-нагрузки показаны на рис.18.12. В любом интервале могут быть включены либо три тиристора, либо два тиристора, либо ни один тиристор, а мгновенные выходные напряжения на нагрузке представляют собой либо линейное напряжение (три тиристора включены), либо половину напряжения между фазой и нейтралью. линейное напряжение (два тиристора включены) или ноль (тиристоры не включены).

РИСУНОК 18.12. Формы выходного напряжения для трехфазного регулятора переменного напряжения с подключенной звездой R-нагрузкой: (а) ван для α = 30 °; (б) фургон для α = 75 °; и (c) van = 120 °.

В зависимости от угла открытия α может быть трех рабочих режимов :

Режим I (также известный как режим 2/3): 0 ≤ α ≤ 60 °; Есть периоды, когда три SCR проводят, по одному в каждой фазе для любого направления, и периоды, когда только два SCR проводят.

Например, при α = 30 ° на рис. 18.12a предположим, что при ωt = 0 тиристоры T ₅ и T ₆ проводят, а ток через R-нагрузку в a-фазе равен нулю. превращая v _в = 0. При ωt = 30 ° T ₁ принимает стробирующий импульс и начинает проводить; T ₅ и T ₆ остаются включенными, а v _и = v _AN . Ток в T ₅ достигает нуля при 60 °, выключая T ₅ . Если T ₁ и T ₆ остаются включенными, v _и = ½v _B .При 90 ° включается T ₂ , три тиристора T ₁ , T ₂ и T ₆ затем проводят, а v _и = v _AN . При 120 ° T ₆ отключается, оставляя включенными T ₁ и T ₂ , поэтому v _и = ½v _AC . Таким образом, по мере продвижения стрельбы по очереди до α = 60 °, количество проводящих тиристоров в конкретный момент времени меняется от двух до трех.

Режим II (также известный как Режим 2/2): 60 ° ≤ α ≤ 90 °; Два SCR, по одному в каждой фазе, всегда проводят.

Для α = 75 °, как показано на рис. 18.12b, непосредственно перед α = 75 °, тиристоры T ₅ и T ₆ были проводящими, а v _и = 0. При 75 ° T ₁ включен, T ₆ продолжает проводить, а T ₅ выключается, поскольку v _CN отрицательный. v _и = ½v _B . Когда T ₂ включается на 135 °, T ₆ выключается и van = ½v _C . Следующий SCR, который нужно включить, – это T ₃ , который выключает T ₁ и v _an = 0.Один тиристор всегда выключен, когда другой включен в этом диапазоне α, а выходное напряжение равно половине линейного напряжения или нулю.

Режим III (также известный как Режим 0/2): 90 ° <α <150 °; Когда ни один или два SCR не проводят.

Для α = 120 °, рис. 18.12c, раньше тиристоры не были включены, а v _– = 0. При α = 120 ° SCR T ₁ выдает стробирующий сигнал, а T ₆ имеет стробирующий сигнал уже применен.Поскольку v _AB положительный, T ₁ и T ₆ смещены вперед, и они начинают проводить, и v _an = ½v _B . Оба T ₁ и T ₆ отключаются, когда v _AB становится отрицательным. Когда сигнал стробирования подается на T ₂ , он включается, а T ₁ включается снова.

Для α> 150 ° нет периода, когда два тиристора являются проводящими, а выходное напряжение равно нулю при α = 150 °. Таким образом, диапазон регулировки угла открытия составляет 0 ≤ α ≤ 150 °.

Для , подключенной звездой, R-нагрузки , принимая мгновенные фазные напряжения как

(18,17) vAN2VssinωtvBN = 2Vssin (ωt − 120 °) vCN = 2Vssin (ωt − 240 °)

выражения для среднеквадратичной выходной фазы напряжение V _o может быть получено для трех режимов как:

(18,18) 0≤α≤60 ° Vo = Vs [1−3α2πsin2α] 12

(18,19) 60 ° ≤α≤90 ° Vo = Vs [ 12−3α4πsin2α + sin (2α + 60 °)] 12

(18.20) 90 ° ≤α≤150 ° Vo = Vs [54−3α2π + 34πsin (2α + 60 °)] 12

Для , соединенных звездой, чистый L-нагрузка , эффективное управление начинается при α> 90 °, и выражения для двух диапазонов α следующие:

(18.21) 90 ° ≤α≤120 ° Vo = Vs [52−3απ + 32πsin2α] 12

(18,22) 120 ° ≤α≤150 ° Vo = Vs [52−3απ + 32πsin (2α + 60 °)] 12

Управляющие характеристики для этих двух предельных случаев (ϕ = 0 для R-нагрузки и ϕ = 90 ° для L-нагрузки) показаны на рис. 18.13. Здесь также, как и в однофазном случае, мертвой зоны можно избежать, управляя напряжением относительно угла управления или угла задержки (γ) от точки перехода тока через ноль вместо угла зажигания α.

РИСУНОК 18.13. Огибающая характеристик управления трехфазным двухполупериодным регулятором переменного напряжения.

RL Нагрузка: Анализ трехфазного регулятора напряжения с подключенной звездой нагрузкой RL с изолированной нейтралью довольно сложен, поскольку тиристоры не перестают проводить при нулевом напряжении, а угол затухания β должен быть известно из решения трансцендентного уравнения для этого случая. В этом случае режим II исчезает [1], а переключение режима работы с режима I на режим III зависит от так называемого критического угла αcrit [2, 3], который может быть вычислен путем численного решения соответствующих трансцендентных уравнений .Компьютерное моделирование с помощью программы PSPICE [4, 5] или подхода с использованием переменных переключения в сочетании с итерационной процедурой [6] является практическим средством получения формы выходного напряжения в этом случае. На рисунке 18.14 показаны типичные результаты моделирования с использованием более позднего подхода [6] для трехфазного контроллера напряжения, питаемого RL-нагрузкой для α = 60 °, 90 ° и 105 °, которые согласуются с соответствующими практическими осциллограммами, приведенными в [7].

РИСУНОК 18.14. Типичные результаты моделирования для нагрузки RL с питанием от контроллера трехфазного переменного напряжения (R = 1 Ом, L = 3.2 мГн) для α = 60 °, 90 ° и 105 °.

Соединение треугольником R-нагрузка: Конфигурация показана на рис. 18.11b. Напряжение на R-нагрузке – это соответствующее линейное напряжение, когда включен один SCR в этой фазе. На рисунке 18.15 показаны линейные и фазные токи для α = 130 ° и 90 ° с R-нагрузкой. Угол срабатывания α измеряется от точки пересечения линейного напряжения через ноль, и тиристоры включаются в той последовательности, в которой они пронумерованы. Как и в однофазном случае, диапазон угла открытия составляет 0 ≤ α ≤ 180 °.Линейные токи могут быть получены из фазных токов как

РИСУНОК 18.15. Осциллограммы трехфазного регулятора переменного напряжения с подключенной треугольником R-нагрузкой: (а) α = 120 ° и (б) α = 90 °.

(18.23) ia = iab-icaib = ibc-iabic = ica-ibc

Линейные токи зависят от угла зажигания и могут быть прерывистыми, как показано. Из-за соединения треугольником тройные гармонические токи протекают по замкнутому треугольнику и не появляются в линии. Действующее значение линейного тока варьируется в диапазоне

(18.24) 2IΔ≤IL, rms≤3IΔ.rms

, поскольку угол проводимости изменяется от очень малого (большой α) до 180 ° (α = 0).

Введение в прерыватель постоянного тока с использованием SCR

В тиристорной цепи с коммутацией напряжения источник напряжения подается на SCR , который должен быть выключен, в основном вспомогательным SCR . Это напряжение сопоставимо по величине с рабочими напряжениями. Ток в проводящем SCR немедленно гасится; однако напряжение обратного смещения должно поддерживаться в течение периода, превышающего период, необходимый для выключения устройства.Благодаря большому обратному напряжению, отключающему его, устройство обеспечивает самое быстрое время отключения, доступное для этого конкретного устройства. Это демонстрация «жесткого» выключения, при котором напряжение обратного смещения максимально. Т1 – это основной SCR , а Т2 – вспомогательный. Как следствие предыдущего цикла, конденсатор C заряжен точкой как положительный. Когда срабатывает главный SCR , он пропускает ток нагрузки, который практически поддерживается большой индуктивностью фильтра L и диодом свободного хода.Кроме того, заряженный конденсатор колеблется за полцикла через T1, L и D, заканчивая отрицательной точкой в ​​точке. Обратное напряжение может быть меньше положительного значения, поскольку часть энергии теряется в различных компонентах пути. Ток конденсатора полупериода добавляется к току нагрузки и принимается основным SCR . С отрицательной точкой в ​​точке C-T2 позволяет коммутировать T1. Когда срабатывает T2, отрицательный заряд конденсатора накладывается на T1, и он немедленно выключается. SCR действительно принимает ток обратного восстановления в процессе. После этого ток нагрузки уровня заряжает конденсатор линейно до напряжения питания, и точка снова становится положительной. Напряжение нагрузки достигает пика из-за добавления напряжения конденсатора к источнику питания при срабатывании T2. Напряжение падает по мере разряда конденсатора, оба изменения линейны из-за уровня тока нагрузки. Когда напряжение конденсатора возвращается к нулю, напряжение нагрузки равно напряжению питания. Время выключения, предлагаемое схемой коммутации для SCR , длится до этого этапа, начиная с запуска T2.Теперь конденсатор постепенно заряжается положительно, и напряжение нагрузки в равной степени уменьшается по сравнению с напряжением питания. Т2, естественно, коммутируется, когда конденсатор полностью заряжен и небольшое превышение напряжения включает инерционный диод. С положительным знаком в точке конденсатор снова готов к следующему циклу. Здесь T2 должен быть переключен перед T1, чтобы зарядить C до желаемой полярности. Коммутация напряжения может быть выбрана для сравнительно быстрого переключения, и это можно определить по резкому падению тока SCR .Между входящими и выходными устройствами нет перекрытия, и оба тока резко падают и возрастают. Здесь можно ожидать высоких нагрузок на все три полупроводника.

В тиристорной цепи с коммутацией напряжения источник напряжения подается на SCR , который должен быть отключен, в основном вспомогательным SCR . Это напряжение сопоставимо по величине с рабочими напряжениями. Ток в проводящем SCR немедленно гасится, однако напряжение обратного смещения должно поддерживаться в течение периода больше, чем требуется для отключения устройства.Благодаря большому обратному напряжению, отключающему его, устройство обеспечивает самое быстрое время отключения, доступное для этого конкретного устройства. Это демонстрация «жесткого» выключения, при котором напряжение обратного смещения максимально.

Нагрузка Подключена резистивная нагрузка 50 Ом / 2 А или 100 Ом / 2 А на клеммах нагрузки A и B.

Принцип работы

Для удобства работа измельчителя разделена на пять режимов.

☞Режим-1

☞Режим-2

☞Режим-3

☞Режим-4

☞Режим-5

Работа в режиме 1

☞Тиристор Т1 срабатывает при t = 0.

☞Питание напряжения поступает на нагрузку.

☞ Ток нагрузки IL протекает через T1 и нагрузку.

☞В то же время конденсатор разряжается через T1, D1, L1, & ‘C’, и конденсатор меняет свое напряжение на противоположное.

☞Это обратное напряжение на конденсаторе поддерживается постоянным диодом D1.

Работа в режиме 2

☞Тиристор Т2 теперь задействован для переключения тиристора Т1.

☞Когда T2 включен, напряжение конденсатора смещает T1 в обратном направлении и выключается, если он выключен.

☞Конденсатор разряжается через нагрузку с –В до 0.

☞ Время разряда называется временем выключения цепи.

☞Конденсатор снова перезаряжается до напряжения питания (с пластиной «а» плюс).

☞Это время называется временем перезарядки и определяется как Общее время, необходимое для разрядки и перезарядки конденсатора, называется временем коммутации и определяется как

.

☞По окончании режима 2 конденсатор перезарядился до VS, и диод свободного хода начинает проводить.

Работа в режиме 3

☞FWD начинает проводить, и ток нагрузки спадает.

☞Поэтому конденсатор заряжается до напряжения выше, чем напряжение питания, T2, естественно, отключается.

Режим-4 Работа

☞Конденсатор был перезаряжен, т.е. его напряжение выше напряжения питания.

☞Конденсатор начинает разряжаться в обратном направлении.

☞Следовательно, ток конденсатора становится отрицательным.

☞Конденсатор разряжается через VS, FWD, D1 и L.

☞Когда этот ток уменьшится до нуля, D1 перестанет проводить, и напряжение на конденсаторе станет таким же, как напряжение питания

Режим-5 Работа

☞ Оба тиристора выключены, и ток нагрузки протекает через FWD. Этот режим завершится после срабатывания тиристора Т1.

.