3. Принцип дії тиристора

Тиристор є силовим електронним неповністю керованим ключем. Тому іноді в технічній літературі його називають одноопераційних тиристором, який може сигналом управління переводитися тільки в провідний стан, тобто включатися. Для його виключення (при роботі на постійному струмі) необхідно приймати спеціальні заходи, що забезпечують спадання прямого струму до нуля. 

Тиристорний ключ може проводити струм тільки в одному напрямку, а в закритому стані здатний витримати як пряме, так і зворотне напруга.

Тиристор має чотиришарову pnpn-структуру з трьома висновками: анод (A), катод (C) і керуючий електрод (G), що відображено на рис. 1

Рис. 1. Звичайний тиристор: a) - умовно-графічне позначення; б) - вольтамперная характеристика.

На рис. 1, b представлено сімейство вихідних статичних ВАХ при різних значеннях струму управління iG. Граничне пряму напругу, яке витримується тиристором без його включення, має максимальні значення при iG = 0. При збільшенні струму iG пряму напругу, витримується тиристором, знижується. Включеному станом тиристора відповідає гілка II, вимкненого - гілка I, процесу включення - гілка III. Утримуючий струм або струм утримання дорівнює мінімально допустимому значенню прямого струму iA, при якому тиристор залишається в провідному стані.Цьому значенню також відповідає мінімально можливе значення прямого падіння напруги на включеному тиристорі.

Гілку IV являє собою залежність струму витоку від зворотного напруги. При перевищенні зворотною напругою значення UBO починається різке зростання зворотного струму, пов'язане з пробоєм тиристора. Характер пробою може відповідати незворотного процесу чи процесу лавинного пробою, властивого роботі напівпровідникового стабілітрона. 

Тиристори є найбільш потужними електронними ключами, здатними коммутировать ланцюга з напругою до 5 кВ і струмами до 5 кА при частоті не більше 1 кГц. 

Конструктивне виконання тиристорів наведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкція корпусів тиристорів: а) - таблеточна; б) - штирьова

Тиристор в ланцюзі постійного струму

Включення звичайного тиристора здійснюється подачею імпульсу струму в ланцюг управління позитивною, щодо катода, полярності. На тривалість перехідного процесу при включенні значний вплив мають характер навантаження (активний, індуктивний і пр.), амплітуда і швидкість наростання імпульсу струму управління iG, температура напівпровідникової структури тиристора , прикладена напруга і струм навантаження. У ланцюзі, що містить тиристор, не повинно виникати неприпустимих значень швидкості наростання прямого напруги duAC / dt, при яких може відбутися мимовільне включення тиристора при відсутності сигналу керування iG і швидкості наростання струму diA / dt.Водночас крутизна сигналу управління повинна бути високою.

Серед способів виключення тиристорів прийнято розрізняти природне виключення (або природну комутацію) і примусове (або штучну комутацію).Природна комутація відбувається при роботі тиристорів в ланцюгах змінного струму в момент спадання струму до нуля.

Способи примусової комутації вельми різноманітні. Найбільш характерні з них наступні: підключення попередньо зарядженого конденсатора З ключем S (рис 3, а); підключення LC-ланцюга з попередньо зарядженим конденсатором CK (рис 3 б); використання коливального характеру перехідного процесу в ланцюзі навантаження (рис 3, в).

Рис. 3. Способи штучної комутації тиристорів: а) - за допомогою зарядженого конденсатора С; б) - за допомогою коливального розряду LC-контуру; в) - за рахунок коливального характеру навантаження

При комутації за схемою на рис. 3, а підключення комутуючого конденсатора зі зворотним полярністю, наприклад іншим допоміжним тиристором, викличе його розряд на який проводить основний тиристор. Так як розрядний струм конденсатора спрямований зустрічно прямому струму тиристора, останній знижується до нуля і тиристор вимкнеться.

У схемі на рис. 3, б підключення LC-контура викликає коливальний розряд комутуючого конденсатора Ск. При цьому на початку розрядний струм протікає через тиристор зустрічно його прямому струму, коли вони стають рівними, тиристор вимикається. Далі струм LC-контура переходить з тиристора VS в діод VD. Поки через діод VD протікає струм контуру, до тиристору VS буде докладено зворотна напруга, рівне падінню напруги на відкритому діоді.

У схемі на рис. 3, в включення тиристора VS на комплексну RLC-навантаження викличе перехідний процес. При певних параметрах навантаження цей процес може мати коливальний характер зі зміною полярності струму навантаження iн. У цьому випадку після виключення тиристора VS відбувається включення діода VD, який починає проводити струм протилежної полярності. Іноді цей спосіб комутації називається квазіестественним, так як він пов'язаний зі зміною полярності струму навантаження.

Тиристор в ланцюзі змінного струму

При включенні тиристора в ланцюг змінного струму можливе здійснення таких операцій:

• включення і відключення електричного кола з активної і активно-реактивної навантаженням;

• зміна середнього та чинного значень струму через навантаження за рахунок того, що є можливість регулювати момент подачі сигналу керування.

Так як тиристорний ключ здатний проводити електричний струм тільки в одному напрямку, то для використання тиристорів на змінному струмі застосовується їх зустрічно-паралельне включення (рис. 4, а).

Рис. 4. Зустрічно-паралельне включення тиристорів (а) і форма струму при активному навантаженні (б)

Середнє і чинне значення струму варіюються за рахунок зміни моменту подачі на тиристори VS1 і VS2 відкривають сигналів, тобто за рахунок зміни кута і (рис. 4, б). Значення цього кута для тиристорів VS1 і VS2 при регулюванні змінюється одночасно за допомогою системи управління.Кут називається кутом управління або кутом відмикання тиристора.

Найбільш широке застосування в силових електронних апаратах отримали фазовий (мал. 4, а, б) і широтно-імпульсне управління тиристорами (рис. 4, в).

Рис. 5. Вид напруги на навантаженні при: а) - фазовому управлінні тиристором; б) - фазовому управлінні тиристором з примусовою комутацією; в) - широтно-імпульсному управлінні тиристором

При фазовому методі управління тиристором з примусовою комутацією регулювання струму навантаження можливе як за рахунок зміни кута α, так і кута θ. Штучна комутація здійснюється за допомогою спеціальних вузлів або при використанні повністю керованих (замикаються) тиристорів.

При широтно-імпульсному управлінні (широтно-імпульсної модуляції - ШІМ) протягом часу Тоткр на тиристори поданий керуючий сигнал, вони відкриті і до навантаження докладено напруга Uн. Протягом часу Тзакр керуючий сигнал відсутній і тиристори знаходяться в непроводящем стані. Чинне значення струму в навантаженні

де Iн.м. - Струм навантаження при Тзакр = 0.

Крива струму в навантаженні при фазовому управлінні тиристорами несинусоїдальними, що викликає спотворення форми напруги живильної мережі і порушення в роботі споживачів, чутливих до високочастотних перешкод - виникає так звана електромагнітна несумісність.

Замикаються, тиристори

Тиристори є найбільш потужними електронними ключами, використовуваними для комутації високовольтних і сільноточних (сильнострумових) ланцюгів. Однак вони мають істотний недолік - неповну керованість, яка виявляється в тому, що для їх виключення необхідно створити умови зниження прямого струму до нуля. Це в багатьох випадках обмежує і ускладнює використання тиристорів.

Для усунення цього недоліку розроблені тиристори, що замикаються сигналом по керуючому електроду G. Такі тиристори називають замикаються (GTO - Gate turn-off thyristor) або двухопераціоннимі.

Замикаються тиристори (ЗТ) мають чотиришарову р-п-р-п структуру, але в той же час володіють рядом істотних конструктивних особливостей, які надають їм принципово відмінне від традиційних тиристорів - властивість повної керованості. Статична ВАХ замикаються тиристорів в прямому напрямку ідентична ВАХ звичайних тиристорів. Однак блокувати великі зворотні напруги тиристор, що замикається зазвичай не здатний і часто з'єднується із зустрічно-паралельно включеним діодом. Крім того, для замикаються тиристорів характерні значні падіння прямої напруги. Для виключення замикається тиристора необхідно подати в ланцюг керуючого електрода потужний імпульс негативного струму (приблизно 1:5 по відношенню до значення прямого вимикаю струму), але короткою тривалістю (10-100 мкс).

Замикаються тиристори також мають більш низькі значення граничних напруг і струмів (приблизно на 20-30%) порівняно із звичайними тиристорами.

Основні типи тиристорів

Крім замикаються тиристорів розроблена широка гамма тиристорів різних типів, що відрізняються швидкодією, процесами управління, напрямком струмів в провідному стані і т.д. Серед них слід відзначити такі типи:

• тиристор-діод, який еквівалентний тиристору із зустрічно-паралельно включеним діодом (рис. 6.12, a);

• доданий тиристор (динистор), що переходить в провідний стан при перевищенні певного рівня напруги, прикладеного між А і С (рис. 6, b);

• тиристор, що замикається (рис. 6.12, c);

• симетричний тиристор або симистор, який еквівалентний двом зустрічно-паралельно включеним тиристорам (рис. 6.12, d);

• швидкодіючий інверторний тиристор (час виключення 5-50 мкс);

• тиристор з польовим управлінням по керуючому електроду, наприклад, на основі комбінації МОП-транзистора з тиристором;

• оптотиристор, керований світловим потоком.

Рис. 6. Умовно-графічне позначення тиристорів: a) - тиристор-діод; b) - діодний тиристор (динистор); c) - тиристор, що замикається; d) – симисторів.