Тиристори. Використання в схемах керування силовими виконавчими пристроями

1. будова, принцип дії та основні характеристики динистора;

2. особливості конструкції і ВАХ тиристорів;

3. схеми включення динистора і тиристора;

4. особливості конструкції і ВАХ симистора;

5. принципи побудови схем керованих випрямлячів на основі тиристора.

Мета лабор. роботи «Дослідження характеристик тиристора і керованого випрямляча»:

• дослідження вольтамперної характеристики та визначення параметрів тиристора;

• отримання сімейства статичних характеристик тиристора;

• дослідження роботи регульованого однопівперіодного випрямляча.

Тиристор — це перемикальний напівпровідниковий прилад, що проводить струм тільки в одному напрямку. Це - керований діод, напівпровідниковий керований вентиль.

Тиристор суміщає в собі функції випрямляча, вимикача і підсилювача. Часто він використовується як регулятор, головним чином, коли схема живиться змінною напругою.

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

Основні властивості тиристора:

• тиристор, як і діод, проводить в одному напрямку, проявляючи себе як випрямляч;

• тиристор переводиться з вимкненого стану у ввімкнений при подачі сигналу на керуючий електрод і, як вимикач, має два стійкі стани. Проте для повернення тиристора у вимкнений стан необхідно виконати спеціальні умови;

• керуючий струм, необхідний для переводу тиристора із вимкненого стану у ввімкнений, значно менший (декілька міліампер) при робочому струмі в декілька ампер і навіть в декілька десятків ампер. Тому тиристор володіє властивостями підсилювача струму;

• середній струм через навантаження, включене послідовно з тиристором, можна точно регулювати залежно від тривалості сигналу на керуючому електроді. Тиристор при цьому є регулятором потужності

Тиристором називається напівпровідниковий прилад з двома стійкими станами, що має три (або більше) випрямляючих переходу, який може переключатися з закритого стану у відкрите і навпаки. Розрізняють діодні (некеровані) і тріодних (керовані) тиристори. Діодний тиристор називають динистором. Для комутації кіл змінного струму розроблені спеціальні симетричні тиристори - симистори.

Динистор - це двухелектродний пристрій діодного типу, що має три p-n-переходи. Крайня область p називається анодом, а інша крайня область n - катодом. Структура динистора наведена на рис. 2.1а. Три p-n-переходи динистора позначені як J₁, J₂ і J₃. Умовне зображення динистора наведено на рис. 2.1б.

Рис. 2.1. Структура динистора (а) і його умовне графічне зображення (б)

Схему заміщення динистора можна представити у вигляді двох тріодних структур, з'єднаних між собою. Розподіл динистора на складові транзистори і схема заміщення наведені на рис. 2.2. При такому з'єднанні колекторний струм першого транзистора є струмом бази другого, а колекторний струм другого транзистора є струмом бази першого. Завдяки такому з'єднанню всередині пристрою виникає позитивний зворотний зв'язок.

Якщо на анод подано позитивне напруга по відношенню до катода, то переходи J₁, і J₃ будуть зміщені в прямому напрямку, а перехід J₂ - в зворотному, тому всі напруга джерела Е буде докладено до переходу J 2. Нехай коефіцієнти передачі по струму емітера транзисторів Т₁ і Т₂ мають значення α1 і α2 відповідно.

Рис. 2.2. Розподіл динистора на дві структури (а) і схема заміщення (б)

Згідно зі схемою заміщення (рис.2.2б) струм через тиристор дорівнює сумі струмів колекторів обох транзисторів і струму витоку I_К0

(2.1)

Струм у зовнішньому колі дорівнює I_Е1 = I_Е2 = I, тому після підстановки I в (2.1) можна записати: I (1 - α₁ - α₂) = I_K0. Звідси отримуємо, що значення зовнішнього струму I рівне:

(2.2)

Поки виконується умова (α₁ + α₂) < 1, струм в динисторі дорівнюватиме I_K0. При співвідношенні (α₁ + α₂) > 1 динистор включається і починає проводити струм. Це і є умова включення динистора.

Для збільшення коефіцієнтів передачі струму α₁ або α₂ в динисторі існує єдиний спосіб, який полягає в збільшенні напруги на його аноді. Із зростанням напруги при U = U_ВKЛ один з транзисторів перейде в режим насичення. Колекторний струм цього транзистора, протікаючи в колі бази другого транзистора, відкриє його, а останній, у свою чергу, збільшить струм бази першого. У результаті колекторні струми транзисторів будуть лавиноподібно наростати, поки обидва транзистора не перейдуть в режим насичення.

Після включення транзисторів динистор відкривається, і струм I буде обмежуватися лише опором зовнішнього кола. Падіння напруги на відкритому приладі менше 2В, що приблизно дорівнює падінню напруги на звичайному діоді. Вольтамперна характеристика динистора наведена на рис. 2.3а, а схема імпульсного включення зображена на рис. 2.3б.

Рис. 2.3. Вольтамперная характеристика динистора (а) і схема його включення (б):

Uвкл - напруга включення динистора, Uост - залишкове падіння напруги на відкритому динисторі, Iн - струм навантаження, Iвикл - струм вимикання динистора, VD1 - напівпровідниковий діод, VD2 - динистор, Rн - опір навантаження, R - обмежуючий опір, С - розділяючий конденсатор, Uпуск - керуючий імпульс

Вимкнути динистор можна, знизивши струм в ньому до значення I_ВИКЛ або помінявши полярність напруги на аноді. Різні способи виключення динистора наведені на рис. 2.4.

У першій схемі переривається струм в ланцюзі динистора. Під другою схемою падіння напруги на динисторі зменшується до нуля. У третій схемі струм динистора знижується до I_ВИКЛ включенням додаткового резистора R_Д. У четвертій схемі при замиканні ключа К на анод динистора подається напруга протилежної полярності за допомогою конденсатора С.

Рис. 2.4. Схеми виключення динистора: розмиканням кола (а), шунтуванням приладу (б), зниженням струму анода (в), подачею зворотної напруги (г): Rн - опір навантаження, Rд - додатковий опір, С - розділяючий конденсатор, К - ключ

Тиристор має структуру, аналогічну як в динистора, при цьому одна з базових областей зроблена керуючою. Якщо в одну з баз подати струм управління, то коефіцієнт передачі відповідного транзистора збільшиться і відбудеться включення тиристора.

Залежно від розташування керуючого електрода (КЕ) тиристори діляться на тиристори з катодним керуванням і тиристори з анодним управлінням. Розташування цих керуючих електродів і умовні позначення тиристорів наведені на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Структура та умовне графічне позначення тиристора з катодним (а) і анодним (б) керуванням

Існують також замикаючі тиристори, особливість яких полягає в тому, що при подачі сигналу на керуючий електрод тиристор переходить в закритий стан. Застосування таких тиристорів обмежено - через те, що струм керуючого електрода в момент вимикання наближається за величиною до основного комутованого струму.

Схема включення і вольтамперна характеристика тиристора наведені на рис. 2.6. Відмінність від динистора полягає в тому, що напруга включення регулюється зміною струму в ланцюзі керуючого електрода. При збільшенні струму управління знижується напруга живлення.

Рис. 2.6. Схема включення (а) і вольтамперні характеристики (б) тиристора

Таким чином, тиристор еквівалентний динистору з керованою напругою живлення.

Після включення керуючий електрод втрачає управляючі властивості, і, отже, з його допомогою вимкнути тиристор неможливо. Основні схеми вимикання тиристора такі ж, як і для динистора.

До основних статичних параметрів динисторов і тиристорів відносяться:

• допустима зворотна напруга U_ЗВОР;

• падіння напруги на приладі у відкритому стані U_ПР при заданому прямому струмі;

• допустимий прямий струм I_ПР.

Основною областю застосування динисторів і тиристорів є використання їх як електронних ключів у схемах перемикання як постійних, так і змінних електричних струмів.

Симистор - це симетричний тиристор, який призначений для комутації в колах змінного струму. Він може використовуватися для створення реверсивних випрямлячів або регуляторів змінного струму. Структура симетричного тиристора приведена на рис. 2.7а, а його умовне позначення - на рис. 2.7б. Напівпровідникова структура симистора містить п'ять шарів напівпровідників з різним типом провідності і має більш складну конфігурацію в порівнянні з тиристором. Вольтамперная характеристика симистора наведена на рис. 2.8.

Рис. 2.7. Структура симетричного тиристора (а) і його умовне графічне зображення (б)

Рис. 2.8. Вольтамперная характеристика сімістора

Як видно з вольтамперної характеристики симистора, прилад вмикається в будь-якому напрямку при подачі на керуючий електрод УК позитивного імпульсу управління. Вимоги до імпульсу управління такі ж, як і для тиристора. Основні характеристики симистора і система його позначень такі самі, як і для тиристора. Симистор можна замінити двома зустрічно-паралельно включеними тиристорами із загальним електродом управління.

Регульовані випрямлячі. Завдяки можливості керування моментом включення тиристори застосовуються в схемах керованих випрямлячів. Найпростіша схема регульованого випрямляча на одному тиристорі наведена на рис. 2.9а.

Рис. 2.9. Схема регульованого випрямляча (а) і діаграми напруг на його вході (б), керуючому електроді тиристора (в) і виході (г)

Для включення тиристора необхідно виконати дві умови: напруга на аноді тиристора має бути позитивним (але не перевищує напруга U ПР.ВКЛ) і до керуючого електрода повинен бути доданий позитивне напруга, що відповідає відмикає току. Перша умова виконується для позитивних напівхвиль напруги мережі u ВХ (рис. 2.9б), а для виконання другої умови до керуючого електрода тиристора підводиться отпирающий імпульс u У (рис. 2.9в). Після включення тиристора керуючий електрод втрачає управляючі властивості, тому його виключення станеться, коли миттєве напруга на аноді стане рівним нулю.

Форма імпульсів напруги u_Н на резистивному навантаженні R_H без фільтра приведена на рис. 2.9г. Очевидно, що момент включення тиристора можна регулювати в межах позитивної напівхвилі напруги мережі, тобто 0 < α < π, де α - кут зсуву керуючого імпульсу щодо моменту u_ВХ = 0, який називають кутом включення. Таким чином, тривалість включеного стану тиристора визначається за формулою:

(2.3)

де Т - період коливання вхідної напруги u_ВХ.

Тоді середня напруга на навантаженні буде рівна:

(2.4)

При цьому якщо тиристор включається при α = 0, то середня випрямлена напруга на навантаженні U_Н.СР буде максимальним, а якщо α = π, то напруга U_Н.СР = 0. Такий спосіб управління тиристором називається фазоімпульсним.

Тиристор в ел. колі 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. У той же час 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-контура; 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 проводить основний тиристор. Так як розрядний струм конденсатора спрямований зустрічно прямому струму тиристора, останній знижується до нуля і тиристор вимикається. 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 контура, 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. За 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 колі 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) Середня і діюче 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 (рис. 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 Т_откр на тиристори поданий керуючий сигнал, вони відкриті і до навантаження прикладена напруга Uн. Протягом часу Тзакр керуючий сигнал відсутній і тиристори знаходяться в непроводящая стані. Діюче значення струму в навантаженні

де Iн.м. - Струм навантаження при Тзакр = 0. Крива струму в навантаженні при фазовому управлінні тиристорами несинусоїдних, що викликає спотворення форми напруги мережі живлення і порушення в роботі споживачів, чутливих до високочастотних перешкод - виникає так звана електромагнітна несумісність. Тиристори з закриванням

Тиристори є найбільш потужними електронними ключами, використовуваними для комутації високовольтних і потужнострумових (сільнотокових) ланцюгів. Однак вони мають істотний недолік - неповну керованість, яка проявляється 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 розроблено тиристори, замикаються сигналом по керуючому електроду G. Такі тиристори називають замикаються (GTO - Gate turn-off thyristor) або д вухопераціоннимі. Замикаються тиристори (ЗТ) мають чотиришарову р-п-р-п структуру, але в той же час мають низку 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 виключається струму), але короткої тривалості (10-100 мкс). Замикаються тиристори також мають більш низькі значення граничних напруг і струмів (приблизно на 20-30%) у порівнянні зі звичайними тиристорами. Основні типи тиристорів К рім 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); • діодний тиристор (динистор), що переходить в провідний стан при перевищенні певного рівня напруги, прикладеної між А і С (рис. 6, b); • тиристор, що замикається (рис. 6.12, c); • симетричний тиристор або сімістор, який еквівалентний двом зустрічно-паралельно включеним тиристорам (рис. 6.12, d); • швидкодіючий інверторний тиристор (час вимкнення 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) – сімістор

Захист тиристорів

Тиристори є приладами, критичними до швидкостей наростання прямого струму diA / dt і прямого напруги duAC / dt. Тиристорам, як і діодів, притаманне явище протікання зворотного струму відновлення, різке спадання якого до нуля посилює можливість виникнення перенапруг з високим значенням duAC / dt. Такі перенапруження є наслідком різкого припинення струму в індуктивних елементах схеми, включаючи малі індуктивності монтажу. Тому для захисту тиристорів зазвичай використовують різні схеми ЦФТП, які в динамічних режимах здійснюють захист від неприпустимих значень diA/dt і duAC/dt. У більшості випадків внутрішнє індуктивне опір джерел напруги, що входять в ланцюг включеного тиристора, виявляється достатнім, щоб не вводити додаткову індуктивність LS. Тому на практиці частіше виникає необхідність у ЦФТП, що знижують рівень і швидкість перенапруг при виключенні (рис. 7).

Рис. 7. Типова схема захисту тиристора

Для цієї мети зазвичай використовують RC-ланцюга, що підключаються паралельно тиристору. Існують різні схемотехнічні модифікації RC-ланцюгів і методики розрахунку їх параметрів для різних умов використання тиристорів. Для замикаються тиристорів застосовуються ланцюги формування траєкторії перемикання, аналогічних за схемотехніці ЦФТП транзисторів

Схема комутації потужного навантаження (нагрівачі-тепловентил….)

Схема, изображенная на РИС.1. одна из самых проверенных и надежных.

 РИС.1   ТИРИСТОРНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ НА ОДНОПЕРЕХОДНОМ ТРАНЗИСТОРЕ.

 

РИС.4. ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРОМ ДЛЯ РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ НА АНАЛОГЕ ОДНОПЕРЕХОДНОГО ТРАНЗИСТОРА ОБРАТНОЙ ПРОВОДИМОСТИ.

•