Что такое угол управления в тиристоре
Перейти к содержимому

Что такое угол управления в тиристоре

  • автор:

Тиристоры:
устройство, характеристики и способы управления

Семейство полупроводниковых приборов с четырехслойной и более p-n структурой называются тиристорами.
Тиристоры по принципу действия являются ключами с односторонней проводимостью которые включаются при прохождении через них ток определенной величины (динисторы), либо при подаче сигнала на управляющий электрод (тринисторы).
Особенностью тринистора является то, что управляющий сигнал нужно подавать только на время переключения, а для сохранения открытого состояния тринистора внешнего удерживающего сигнала не требуется.
Имея такое свойство «запоминать» заданное состояние, а также переключать ток большой мощности, тиристоры стали использовать вместо мощных транзисторов и реле в схемах импульсных генераторов, регуляторов напряжения, переключателях, реле времени и т.д.

Динистор

tir3

Динистор (еще его называют диодным тиристором) представляет собой кремневый монокристалл с четырьмя чередующими p и n областями, образующие три p-n перехода ( J1, J2, J3 ).
У динистора только две крайние области (p и n) имеют выводы. Вывод подключенный из р- области на положительный полюс источника питания GB1 называется анодом ( А ), а вывод из n- области включенный к отрицательному полюсу — катодом ( К ).
В отличии от диода, при подаче на выводы динистора малого прямого напряжения (плюс — на анод и минус — на катод), он не будет пропускать прямой ток. Причина в том, что у диода один p-n переход, а у динистора их три. Поэтому, чтобы основным носителям заряда (электронам и дыркам) преодолеть три потенциальных барьера p-n переходов, нужно создать большее электрическое поле чем для открытия диода. Только в тот момент, когда энергия электронов и дырок станет достаточной для преодоления потенциальных барьеров, произойдет лавинообразное увеличение тока через динистор и он откроется.

На рисунке приведена вольт-амперная характеристика (ВОХ) динистора, где по горизонтальной оси отложено напряжение между его анодом и катодом ( Uак ), а по вертикальной — прямой ( +I ) и обратный ( -I ) токи.

Характеристику можно разбить на четыре участка.
Участок 1 показывает, что при повышении напряжения Uак через прибор протекает незначительный ток до момента достижения напряжения Uлав , т.е. когда происходит лавинообразный процесс нарастания тока и динистор отпирается.
В этот момент переключения напряжение на динисторе мгновенно уменьшается (участок 2), а ток скачком увеличивается (участок 3).
Величина прямого тока через динистор, при некотором напряжении источника питания и сопротивления нагрузки Rн , будет определяться только сопротивлением внешней цепи.
Динистор будет открыт до тех пор, пока прямой ток будет больше некоторого минимального тока — тока удержания ( Iуд ).
При подаче на анод и катод динистора обратного напряжения -Uак. обратная ветвь ВОХ (участок 4) будет такой же как у диода.
Когда напряжение достигнет значение пробивного напряжения Uпр. наступит пробой J1 перехода и динистор можно выбросить.
Поэтому нельзя, даже на короткое время, подавать на прибор обратное напряжение близкое к Uпр. Напряжение пробоя определенного динистора можно узнать в его паспортных данных или в справочнике.

Тринистор

tri

Тринистор (триодный тиристор) , как и динистор, представляет собой монокристалл с четырехслойной p-n структурой, только вдобавок к аноду и катоду добавлен вывод управляющего электрода, который присоединен к внутренней области типа р.

Рассмотрим как будет меняться вольт-амперная характеристика тринистора в зависимости от величины тока управляющего электрода Iу .
Если на управляющий электрод не подавать напряжение и ток Iу =0 , идентична характеристики динистора и он будем работать также как диодный тиристор, т.е. включается только при достижении напряжении Uлав .
Как только на управляющий электрод подадим положительное напряжение (относительно катода) и через него пройдет ток Iу1>0 , тогда напряжение, при котором тринистор откроется, понизится.
При дальнейшем увеличении тока управления вольт-амперная характеристика спрямляется до тех пор, пока, при определенном токе Iу2 , не станет подобна прямой ветви характеристики диода. Этот ток называется током спрямления .
Управляющий электрод играет роль «поджигающего» устройства (как стартер в люминесцентной лампе) и после отпирания тринистора он не может уже управлять им.
Чтобы тринистор выключить ток через него нужно уменьшить до значения, меньшего, чем ток удержания Iуд .

Это можно достигнуть несколькими методами.
Эти методы показаны на рисунке в виде разных вариантов выключения и включения кнопок.
Первый способ отключения — замыкание анода и катода для снижения Uак до нуля (Кн.1 ). Ток, соответственно, тоже падает меньше тока удержания тринистора и он отключается.
Для второго способа включаем последовательно с нагрузкой Rн дополнительный резистор Rдоп , сопротивление которого выбирается так, чтобы выполнялось условие:

Iуд>Iпр=Uи/Rн+Rдоп

т.е. прямой ток с дополнительным резистором должен быть меньше тока удержания. Когда кнопка Кн.2 замкнута она шунтирует Rдоп и тринистор открыт. При разомкнутой кнопке к нагрузке подключается дополнительное сопротивление — ток уменьшается ниже тока удержания и прибор отключается.
Третий способ самый простой — выключаем питание Uи кнопкой Кн.3 . Просто и надежно.
Есть еще один способ отключения — подключение на анод отрицательного напряжения на время, необходимое для отключения тринистора. Это происходит в тиристорных схемах при питании их переменным током.

Управление тиристорами мощностью переменного тока

Одним из способом управления тринистором (диодным тиристором, или просто — тиристором) мощностью переменного тока является подача на управляющий электрод сигнал такой же частоты как и коммутируемый переменный ток. Но при этом нужно выполнять следующие условия:
во-первых, отпирающие сигналы должны подаваться только тогда, когда подаваемое напряжение на аноде будет положительное относительно катода;
во-вторых, напряжение управления тоже всегда должно быть положительным.

На рис.а показана простейшая схема получения управляющего сигнала на тиристоре при помощи переменного резистора. Напряжение анодного питания, проходя через цепочку резисторов R1 и R2 , выпрямляется диодом VD1 и подается на управляющий электрод.
Резистор R1 понижает анодное напряжение до определенного значения для открытия тиристора VS1 , а потенциометр R2 служит для установки нужного тока для открытия тиристора ( Iу.от ). Когда на аноде будет положительная полуволна переменного напряжения — тогда и на управляющем электроде тоже будет положительное напряжение относительно катода.

Рассмотрим на рис.b как управляется тиристор переменным током.
При подаче на управляющий электрод синусоидального сигнала через некоторое время значение его достигнет тока открытия тиристора ( Iот. ) и через него потечет ток нагрузки. Величина задержки импульса запуска называется углом запуска ( φ ).
Переменный синусоидальный ток подходя к нулю становится меньше тока удержания ( Iуд. ), а затем вообще меняет полярность. Тиристор в этот момент отключается до следующего изменения полярности питающего напряжения.
Таким образом видно, что путем изменения величины угла запуска φ во время положительного полупериода напряжения, ток через тиристор и нагрузку будет протекать в течении уже какой-то определенной части полупериода. Если φ мал, то тиристор откроется в начале полупериода, при бОльших задержках — в любой точке полупериода. В реальных устройствах значение угла запуска регулируется от 5 до 170 градусов, поэтому в только таком интервале можно изменять средний ток в нагрузке тиристора.
Такой способ управления током тиристора называется фазовым регулированием (или фазовым управлением) .

Так-же можно регулировать часть положительного полупериода путем изменения сдвига фазы синусоидального сигнала на управляющем электроде относительно фазы напряжения на аноде тиристора ( рис.C ).
Синусоидальный сигнал с фазовым сдвигом на управляющем электроде дойдя до Iот запускает тиристор и дальше происходит процесс такой-же как при запуске без фазового сдвига. Разница между запуском без фазового сдвига и с сдвигом в том, что в первом случае величина угла запуска φ регулируется величиной напряжения сигнала на управлении, а во втором случае — регулируется только сдвигом фаз.
Но все эти амплитудно-фазoвые способы управления обладают невысокой стабильностью момента включения тиристора, т.к. минимальный ток управления Iу.от. сильно зависит от колебания температуры, да и тиристоры с одинаковым номиналом имеют разброс параметра минимального тока открытия Iу.от.

Более лучшую стабильность имеет фазоимпульсный способ запуска, при котором тиристор включается импульсами с постоянной амплитудой и током выше тока открытия Iу.от , с задержкой относительно начала положительного полупериода на аноде ( рис.d) .
На рисунке показаны импульсы управления y1 и y2 с малой длительностью (до нескольких микросекунд), которые синхронизированы с положительными полупериодами подающего напряжения на анод. Угол φз — угол запуска, а φп — угол проводимости.

Для создания управляющих импульсов применяют генераторы с разными комбинациями элементов для формирования импульсов и регулировки их длительности.
Управление тиристорами мощностью переменного тока применяют как в промышленности так и в радиолюбительской практике. Это: регуляторы мощности для паяльника, регуляторы скорости вращения двигателя, цветомузыкальные приставки и т.д и т.п.

Что такое тиристор, как он устроен и работает

Впервые что такое тиристор было рассказано в работе американского физика Уильяма Шокли, написанной в 1956 году. Ученый, правда, назвал разработанное им устройство весьма громоздким термином: «двойной диод с четырьмя чередующимися полупроводниковыми слоями». В июле 1957 года фирма General Electric представила первую модель промышленного тиристора под названием «выпрямитель с кремниевым управлением».

Своё современное название устройство получило благодаря Джуэллу Эберсу. Чтобы получить термин «тиристор», он воспользовался греческим и английским языком. Из первого было взято слово hyra, означающее вход, дверь, а из второго — resistor или сопротивляющийся. Эберсу также удалось усовершенствовать структуру, предложенную Шокли, до того вида, который специалисты по электронным приборам могут наблюдать и в наше время.

Разнообразие тиристоров

Устройство и назначение

Тиристором называют полупроводниковый элемент с частичным управлением. Он способен пребывать в закрытом и открытом состоянии. Когда элемент закрыт, он электроток не проводит и, конечно, в открытом состоянии проводит. Управление является частичным, поскольку в проводящее состояние элемент переключается при воздействии управляющего импульса, а закрывается тогда, когда ток в силовой электрической цепи снижается до некоторого значения. Если говорить простыми словами, этот полупроводниковый элемент можно включить, но невозможно выключить. В проводящее состояние он переходит лавинообразно, о чем свидетельствует вольт-амперная характеристика тиристора (ВАХ).

Примеры ВАХ

Структура тиристора основывается на монокристаллическом полупроводнике с тремя или больше переходами типа p-n. Как правило, у него три вывода. С помощью одного из них происходит управление, а два других нужны для прохождения тока. Поскольку в качестве полупроводника обычно используется кремний, то в зарубежной литературе данные элементы называют кремниевыми выпрямителями (SCR).

Как видим, устройство тиристора не отличается сложностью. Структура элемента позволяет представить его как два транзистора с разной проводимостью. База в такой схеме соединяется с коллектором, а эммитеры заменяют анод и катод.

Структурная и условная схема

Современный тиристор по сути — это мощный двухпозиционный выключатель. Его можно встраивать в различные виды промышленного оборудования, работающего в схемах с использованием как постоянного, так и переменного электротока. Назначение любого тиристора — преобразование переменного электротока в постоянный. Этот элемент может функционировать лишь в режиме коммутации, он не способен самостоятельно переходить в закрытое положение. Поэтому основное применение современных тиристоров — управление довольно внушительными нагрузками за счет использования слабых сигналов.

Определение тиристора

Основные типы

Классификация тиристоров основывается на нескольких факторах. Во-первых, это количество выводов. Если их два, это динистор или диодный тиристор, три — тринистор, а также его называют триодным, а с четырьмя — тетродным тиристором. А еще есть симистор — симметричный тиристор, обладающий способностью включаться при напряжении любой полярности.

Выделяют также виды тиристоров, отталкиваясь от способа запирания и проводимости. Первые могут быть запираемыми и незапираемыми, а последние — обратнопроводящими, с ненормируемой обратной проводимостью, проводящими в прямом и обратном направлении.

Основные виды

Есть элементы, способные коммутировать довольно внушительные токи. Это силовые тиристоры. Они выпускаются в корпусах из металла, хорошо отводящих тепло.

Существуют и другие виды тиристоров, среди которых особый интерес представляют:

  • Кремниевые управляемые переключатели (SCS). Они имеют дополнительный анодный затвор, который используется для отключения устройства при подаче положительного напряжения.
  • Гибриды «тиристор-диод», имеющие четыре слоя и принимающие ток, который течёт в любом направлении. Они могут работать как с переменным, так и с постоянным током.
  • Двунаправленные, способные проводить электрический ток в любом направлении.
  • Симисторы, работающие без управляющей сетки и реагирующие только на кратковременные скачки напряжения.
  • Тиристорный светодиод является отличной альтернативой тем элементам, которые на сегодняшний день используются в осветительных приборах. Он долговечен, потребляет мало электроэнергии, имеет небольшие габариты.
  • Биполярные с изолированным затвором, имеющие четыре слоя и три вывода, но предназначенные для работы исключительно в качестве транзистора.
  • Фазные, используемые для ограничения переменного тока путём переключения оборудования в проводящее состояние (и из него) через заданные интервалы времени.

Размерный ряд и маркировка данных элементов отечественного производства должна соответствовать ГОСТ 23900–87. Условное обозначение на схеме тиристора приведено на рисунке ниже.

УГО тиристоров

Тиристоры всех типов обладают рядом достоинств. Среди них:

  • Быстродействие и возможность переключения токов за микросекунды.
  • Возможность управления высокими напряжениями и мощностями.
  • Отсутствие движущихся частей и высокая надёжность.
  • Возможность управления устройствами не только переменного, но и постоянного тока.
  • Быстрая и простая активация.
  • Низкая стоимость.
  • Простота эксплуатации.
  • Малые размеры.

При подборе должны учитываться основные параметры тиристоров.

Основные параметры

Принцип работы

Контакты тиристора называют катодом, анодом и сеткой. Условное обозначение катода указывается стрелкой, но можно встретить также и буквенные обозначения К (катод), А (анод), С (сетка).

Электроды элемента

Чтобы ток протекал в соответствии с требованиями, потенциал анода должен быть выше потенциала катода. Как только электрозаряды начинают двигаться по четырём слоям кремния, каждый из них активируется поочерёдно. После активации всех слоев ток может свободно течь через тиристор. В этот момент устройство начинает работать в прямом направлении. Если оно перешло во включённое состояние, то будет оставаться в нем до тех пор, пока внешний ток не упадет до нуля или не изменит свое первоначальное направление. Последнее явление в электронике известно как обратное смещение или обратное напряжение.

Тиристоры старых типов выключались за счет реверсирования электротока. Деактивация современных моделей осуществляется управляемым вентилем. Такой тип устройств получил название тиристоров с затвором.

Как видим, принцип работы тиристора такой же, как у переключателя, но только открываются эти элементы при поступлении напряжения, а запираются при пропадании электротока. В электросхемах, функционирующих с использованием постоянного и переменного напряжения, тиристоры работают по-разному. В первых подключение элемента происходит при появлении кратковременного импульса между анодом и УЭ, а запирание — после снятия напряжения.

В схемах, предназначенных для работы с переменным напряжением, тиристор закрывается «автоматически» в результате падения силы электротока ниже порога удержания. В данном случае элемент способен пропускать лишь верхнюю полуволну синусоиды тока. При поступлении нижней полуволны элемент закрывается. Поэтому тиристоры способны проводить электроток лишь в одном направлении. Схема включения тиристора в электрическую цепь с разными типами тока представлена на рисунке ниже.

Схемы включения

Чтобы понять, как работает тиристор, следует изучить его вольт-амперную характеристику. Например, при рассмотрении ВАХ диодного тиристора, изображенной на рисунке ниже, можно сделать вывод, что у него пять рабочих режимов. График включает положительную и отрицательную ветви, которые находятся в первом и третьем квадрантах. Последняя содержит участок, соответствующий закрытому состоянию элемента — от 0 до U пробоя. Если напряжение достигает своего порога, наблюдается лавинный пробой.

На участке от 0 до 1 ток медленно растет, а когда он достигает определенного уровня, элемент скачкообразно открывается (участок от 1 до 2). Участок между точками 2 и 3 соответствует режиму обычного диода.

ВАХ динистора

Процесс перехода элемента в открытое состояние после достижения электротоком определенного уровня получил название динисторного эффекта. Подобное свойство присуще и трехэлектродным тиристорам, но данные элементы крайне редко используются в таком режиме. Разрабатывая схемы с применением тринистора, стараются избегать зоны ВАХ, соответствующей медленному нарастанию электротока. Этот элементы наделен управляющим электродом, поэтому включение осуществляется с его помощью.

Схемы управления

Рассматривая, как устроены тиристоры и их принцип работы, становится понятно, что они переходят из одного рабочего состояния в другое скачкообразно и при наличии внешнего воздействия, в качестве которого может выступать ток или фотоны (с их помощью управляются фототиристоры).

Как правило, используются тиристоры с тремя выводами: управляющим электродом (УЭ), катодом (К) и анодом (А). Такой элемент получил название «тринистор». Основная функция УЭ — включать и выключать электронный ключ. Тринистор открывается при условии, что напряжение между А и К сравнивается с рабочим напряжением или превышает его. В последнем случае между УЭ и К должен возникнуть импульс положительной полярности. Тринистор, силовой и любой другой тиристор способен пребывать в открытом состоянии бесконечно долго при условии постоянной подачи питающего напряжения. Чтобы закрыть его можно:

Способы перевода элемента в закрытое положение

Для управления тиристорами используются следующие способы:

Фазоимпульсное управление

  • Амплитудный. На УЭ подается положительное напряжение изменяющейся величины. Изменяя величину напряжения, можно изменять время открытия тиристора.
  • Фазовый. Заключается в смене фазы управляющего напряжения.
  • Фазово-импульсный. Используется импульс напряжения с крутым фронтом, который подается на УЭ. Этот способ на данный момент является самым распространенным.

Любая схема, используемая для управления тиристором, предназначена создавать управляющий сигнал, необходимый для надежного отпирания. Электронный ключ будет пребывать в закрытом состоянии до тех пор, пока на УЭ не поступит соответствующий импульс. Время от нулевой точки его синусоиды до момента срабатывания тиристора измеряется в градусах и называется углом среза фазы α или углом управления (отпирания). Изменяя время возникновения управляющего импульса, можно менять угол управления и, следовательно, среднее значение выпрямленного электротока.

Вид напряжения на нагрузке

Функциональные свойства тиристоров, определяемые их структурой, используются при создании устройств для автоматизации многих производственных процессов, а также разнообразных систем жизнеобеспечения. Эти элементы устанавливаются в транспортном и электроэнергетическом оборудовании, телекоммуникационной аппаратуре, в системах управления асинхронными электродвигателями.

Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

силовые тиристоры

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Тиристор в цепи постоянного тока

Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG , температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Среди способов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (или естественную коммутацию) и принудительное (или искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Способы принудительной коммутации весьма разнообразны. Наиболее характерны из них следующие: подключение предварительно заряженного конденсатора С ключом S (рис 3, а); подключение LC-цепи с предварительно заряженным конденсатором CK (рис 3 б); использование колебательного характера переходного процесса в цепи нагрузки (рис 3, в).

Способы искусственной коммутации тиристоров: а) – посредством заряженного конденсатора С; б) – посредством колебательного разряда LC-контура; в) – за счёт колебательного характера нагрузки

Рис. 3. Способы искусственной коммутации тиристоров: а) – посредством заряженного конденсатора С; б) – посредством колебательного разряда LC-контура; в) – за счёт колебательного характера нагрузки

При коммутации по схеме на рис. 3,а подключение коммутирующего конденсатора с обратной полярностью, например другим вспомогательным тиристором, вызовет его разряд на проводящий основной тиристор. Так как разрядный ток конденсатора направлен встречно прямому току тиристора, последний снижается до нуля и тиристор выключится.

В схеме на рис. 3,б подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего конденсатора Ск. При этом в начале разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Далее ток LC-контура переходит из тиристора VS в диод VD. Пока через диод VD протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде.

В схеме на рис. 3,в включение тиристора VS на комплексную RLC-нагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный характер с изменением полярности тока нагрузки iн. В этом случае после выключения тиристора VS происходит включение диода VD, который начинает проводить ток противоположной полярности. Иногда этот способ коммутации называется квазиестественным, так как он связан с изменением полярности тока нагрузки.

Тиристор в цепи переменного тока

При включении тиристора в цепь переменного тока возможно осуществление следующих операций:

включение и отключение электрической цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;

изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток только в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 4,а).

Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке

Рис. 4. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б)

Среднее и действующее значения тока варьируются за счёт изменения момента подачи на тиристоры VS1 и VS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт изменения угла и (рис. 4,б). Значения этого угла для тиристоров VS1 и VS2 при регулировании изменяется одновременно при помощи системы управления. Угол называется углом управления или углом отпирания тиристора.

Наиболее широкое применение в силовых электронных аппаратах получили фазовое (рис. 4,а,б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 4,в).

Вид напряжения на нагрузке при: а) – фазовом управлении тиристором; б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией; в) – широтно-импульсном управлении тиристором

Рис. 5. Вид напряжения на нагрузке при: а) – фазовом управлении тиристором; б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией; в) – широтно-импульсном управлении тиристором

При фазовом методе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки возможно как за счёт изменения угла ? , так и угла ? . Искусственная коммутация осуществляется с помощью специальных узлов или при использовании полностью управляемых (запираемых) тиристоров.

При широтно-импульсном управлении (широтно-импульсной модуляции – ШИМ) в течение времени Тоткр на тиристоры подан управляющий сигнал, они открыты и к нагрузке приложено напряжение Uн. В течение времени Тзакр управляющий сигнал отсутствует и тиристоры находятся в непроводящем состоянии. Действующее значение тока в нагрузке

где Iн.м. – ток нагрузки при Тзакр = 0.

Кривая тока в нагрузке при фазовом управлении тиристорами несинусоидальна, что вызывает искажение формы напряжения питающей сети и нарушения в работе потребителей, чувствительных к высокочастотным помехам – возникает так называемая электромагнитная несовместимость.

тиристорыТиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, используемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных (сильнотоковых) цепей. Однако они имеют существенный недостаток – неполную управляемость, которая проявляется в том, что для их выключения необходимо создать условия снижения прямого тока до нуля. Это во многих случаях ограничивает и усложняет использование тиристоров.

Для устранения этого недостатка разработаны тиристоры, запираемые сигналом по управляющему электроду G. Такие тиристоры называют запираемыми (GTO – Gate turn-off thyristor) или двухоперационными.

Запираемые тиристоры (ЗТ) имеют четырехслойную р-п-р-п структуру, но в то же время обладают рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципиально отличное от традиционных тиристоров – свойство полной управляемости. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении идентична ВАХ обычных тиристоров. Однако блокировать большие обратные напряжения запираемый тиристор обычно не способен и часто соединяется со встречно-параллельно включенным диодом. Кроме того, для запираемых тиристоров характерны значительные падения прямого напряжения. Для выключения запираемого тиристора необходимо подать в цепь управляющего электрода мощный импульс отрицательного тока (примерно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но короткой длительности (10-100 мкс).

Запираемые тиристоры также имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (примерно на 20-30 %) по сравнению с обычными тиристорами.

Основные типы тиристоров

тиристорыКроме запираемых тиристоров разработана широкая гамма тиристоров различных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Среди них следует отметить следующие типы:

тиристор-диод , который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодом (рис. 6.12,a);

диодный тиристор (динистор) , переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного между А и С (рис. 6,b);

запираемый тиристор (рис. 6.12,c);

симметричный тиристор или симистор , который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);

быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);

тиристор с полевым управлением по управляющему электроду , например, на основе комбинации МОП-транзистора с тиристором;

оптотиристор, управляемый световым потоком.

Условно-графическое обозначение тиристоров на схемах

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) — симистор

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS . Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Типовая схема защиты тиристора

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров применяются цепи формирования траектории переключения, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Тиристор — принцип работы, параметры, схемы

Тиристор — это устройство, состоящее из полупроводника и имеющее, как правило, лишь два активных положения: “закрытое” и “открытое”. В первом случае монокристаллический полупроводник пребывает в состоянии наименьшей электропроводности, а во втором — в наибольшей.

Стоит отметить, что в двух этих устойчивых состояниях переходная фаза осуществляется при определенных обстоятельствах, но при этом процесс проходит довольно быстро.

Внешний вид тиристора

По принципу работы прибор следует соотнести с электронным переключателем, однако между ними есть небольшие различия: тиристор может перемыкаться благодаря давлению, а выключаться лишь с помощью сброса наполнения и подачи тока. Таким образом, принцип действия полупроводникового датчика не является каким-то сложным процессом.

В большинстве своем, тиристор используется в качестве ключа или электронного выключателя, которые применяются в электрических механических системах.

Устройство тиристора

Фиксирование устойчивого состояния прибора возможно благодаря наличию ряду особенностей во внутреннем строении устройства. На представленной ниже схеме можно в этом убедиться:

Схема тиристора

На этой структуре становится очевидным тот факт, что тиристор представлен в виде 2-х простых электронных транзисторов, которые не похожи по своей структуре, однако связаны между собой. Кроме того, ключевую роль в составе полупроводникового электроприбора играют три следующих звена:

  • Катод;
  • Анод;
  • Электрод управления.

Из-за того, что тиристор имеет четыре последовательно-соединенных диода, его переходный слой имеет такую форму: (р) — (п) — (р) — (п). Этот факт объясняет пропускную способность I, который течет лишь в единственной направленности направлении: от плюса к минусу.

Диод и катод

Говоря и описывая внешний вид тиристоров, надо сказать, что они производятся из разных корпусов, поэтому исключен вариант с простым отводом тепла, однако, из-за наличия массивного металлического корпуса, способны выдерживать большие токи.

Принцип работы тиристора

По принципу работы, как мы уже говорили ранее, устройство следует сравнить с электронным переключателем, ведь они оба способны пропускать ток лишь в одном направлении (к катоду от анода). При этом заметим — это будет возможно лишь в устойчивом «открытом» положении.

Диод и тиристор

Перейдем теперь непосредственно к рассмотрению механизма действия тиристора. Начальное состояние прибора — «закрытое». Знаком или сигналом начала переходного процесса к «открытому» можно считать возникновение напряжения, появляющееся промеж положительного электрода и управляющего вывода. Провернуть обратное действие можно следующими методами:

  1. снизить давление;
  2. понизить степень тока.

В строениях с не постоянным током используется второй вариант. Но этому можно найти свое объяснение, ведь переменный ток в электросети представлен в синусоидоподобном виде, где величина его стремится к нулевому показателю и очень часто сбрасывается. Говоря о структурах с постоянным током, то чаще применяется первый вариант.

Раскрытое и замкнутое положение

Итак, как мы поняли, принцип действия нашего прибора различен. В строениях постоянного напряжения, уже после его кратковременного повышения, осуществляется переход из начального состояния в «открытое». Затем рассматривается два возможных варианта:

  • «Открытое» положение может держатся и после пропажи управления напряжения на анодном выходе. Это может стать возможным если “U”, которое подают на анодный управленческий вывод, будет больше, нежели ем отпирающее “U”. Заканчивается проход электротока через устройство, по большому счету, лишь отрывом электроцепи или отключением питательного источника (при этом оба данных процесса обязаны быть кратковременными). Зачем электрический ток (когда прошло восстановление сей цепи) перестает течь. Чтобы ток все же пустить, необходимо снова подать напряжение.
  • Устройство перейдет в «замкнутое» положение моментально же после уменьшения величин напряжений.

Таким образом, в системах, где ток = constant, существует несколько способов эксплуатации нашего электроприбора:

  • При помощи удерживания «раскрытого» состояния;
  • Полностью противоположный первому вариант.

Стоит заметить — чаще всего используется способ под 1-м номером. Условия работы тиристора в конструкциях, где напряжение не равно константе, имеют отличия. Там возврат в начальное положение проходит в автоматическом порядке, то бишь вследствие уменьшения силового тока. В том случае, когда напряжения к плюсу и минусу, подносить часто, на выводе получится так, что произойдет образование P тока некоторой частоты. Вот таким образом и настроены системы импульсного питательного корпуса, который способен формализовать синусоиду в P.

Основные параметры тиристора

Пришла очередь разобраться в ключевых параметрах тиристора. Безусловно, о них важно сказать и их необходимо понять.

Начнем с отпирающего постоянного напряжения управления “Vy” – это есть минимальная постоянная величина напряжения на электроде управления. “Vy” вызывает некоторый переходный процесс тиристора из “закрытого” положения в “открытое”. Таким образом, именно наличие отпирающего постоянного напряжения объясняет открытие прибора и присутствия в электроцепи постоянного или переменного тока.

Вторым важным параметром является величина обратного напряжения “V обр max”. Именно этот элемент демонстрирует такое значение напряжения, которое Ну и последнее – “I ср” – средняя величина тока. “I ср” показывает, какое количество тока может протекать через полупроводниковое устройство.

Характеристики тиристоров

Выбор тиристоров по технико-механическим свойствам определяется зависимостью напряжений в электроцепи от требуемого электротока. Рассмотрим ключевые механические характеристики тиристоров:

  • Максимальная величина допустимого тока (данное значение показывает максимально-возможное значение она показывает максимально-возможное значение прибора в «открытом» положении);
  • Max величина допустимого диодного тока;
  • Прямое напряжение;
  • Противоположные показатели напряжения;
  • Напряжения выключения;
  • Наименьший размер тока на управляющем электрическом проводнике;
  • Максимальная допускаемая мощность.

Характеристики тиристоров

Технические свойства тиристора

Теперь перейдем к техническим свойствам:

  1. Величина максимального обратного напряжения может достигать отметки в 100 Вольт в “открытом” состоянии;
  2. Значение напряжения в “закрытом” положении составляет 100 Вольт;
  3. Импульс открытого положения доходит до 30-ти Ампер, а вот повторяющийся — до 10-ти;
  4. Среднее значение напряжение 1,00-1,50 Вольт;
  5. Средняя величина тока не устанавливается;
  6. Временной отрезок включения и отключения прибора сильно отличаются: 10 микросекунд и 100.

Виды тиристоров

Есть несколько образов тиристоров, которые можно классифицировать следующими методами:

  • по режимам контроля;
  • согласно электропроводности;
  • в соответствии с порядком работы;
  • по форме управления.

Итак, начнем с классификации тиристоров по режимам контроля. Следует сказать о том, что полупроводниковый инструмент обладает двумя выходными путями, различающиеся в своих открытиях.

Много тиристоров

Если один открывается вводом напряжения на анодный блок, то другой — на катодный. Однако, есть некоторое замечание: подают не только напряжение, но и импульс. Если импульс связывают с управляющим выходом и катодом, то устройство будет иметь такое название: “Тиристор с катодным управлением”. В противном случае — с анодным.

По электропроводности

Перейдем к другой классификации устройства. Как было сказано ранее — тиристоры (единичные) проводят ток лишь в одном направлении, то есть обратного провода не существует (это первый вид электропроводности). Однако, следует оговориться, ведь мы знаем, что наш прибор работает благодаря подачи напряжения в роли ключа (переключателя), а если использовать двойной элемент, то бишь симметричный тиристор, тогда устройство сможет проводить ток сразу в двух направлениях (это есть обратная электропроводность — 2-й вид).

По режиму работы

Наконец, перейдем к рассмотрению последнего вида классификации. Выделяют три главных, которые чаще всего используется в современных, более усовершенствованных, полупроводниковых элементах:

Запираемый и незапираемый тиристор

Также есть возможность рассказать о следующих подвидах тиристора: Запирающиеся и не запирающиеся (в первом случае: «+» прикреплен к отрицательно заряженному электроду, а «-» приложен к положительно заряженному; во 2-ом случае — противоположное положение дел); Быстродейственные (способны за короткий временной отрезок, без потери коэффициента полезного действия, перейти из “закрытого” состояния в “открытое”); Электроимпульсные (с минимальными потерями проводят переходный процесс фаз).

Регулятор тиристора

Важным элементом в системе тиристора является регулятор мощности. Именно его схему мы и рассмотрим:

Схема регулятор тиристора

Данная структура выглядит достаточно просто. Наш диммер (в вышепредставленной конструкции) питается и работает благодаря наличию переменного тока в электросети, напряжение которой составляет 220 Вольт.

Перейдем к составу, регулятор мощности в данном случае включает в себя:

  1. Диод полупроводника “vd1”; “r1” переменного назначения;
  2. Резистор “r2” постоянного назначения;
  3. Емкость малой проводимости “c1”;
  4. Переключающий прибор Тиристор “vs1”.

Все величины, которые рекомендуется использовать для номинальной схемы, представлены на картинке. Кроме того, надо сказать, что в роли “vd1” (диода) можно применить либо элемент “KД-209”, либо “КУ-103В”, мощность которых больше 2-х Ватт, а напряжение не меньше 50-ти Вольт.

Данная структура управляет только одним полупериодом в сетевом процессе. В том случае, если исключить отсюда 4 элемента, кроме полупроводникового диода, тогда он сможет пропустить лишь половину волны с переменным током, а нагрузка, например, на устройства паяльника или лампы накаливания придет только около пятидесяти процентов всей силы выхода.

Способности тиристора

Тиристор способен пропустить условные, говоря простым языком, дополнительные блоки половинчатого периода, которые срезаны “vd1” элементом. Если происходит изменение местоположения резистора “r1” переменного назначения, то работа эффективности электрической системы тоже изменится (в большую или меньшую сторону, в зависимости от напряжения).

К электро-положительному выходу на конденсаторе подключен выводная управляющая трубка прибора. В том случае, когда происходит увеличение напряжения на конденсаторе, то есть величина его доходит определенного уровня, тогда он и начинает пропускать половинчатую часть “+”-го периода.

Способности тиристора

Резистор переменного назначения сможет определить скоростную способность зарядки устройства. Таким образом, чем раньше зарядка достигнет максимального значения, тем быстрее произойдет открытие тиристора и ему удастся пустить половину полупериода в полярной части.

Стоит сказать и о пассивном электронном компоненте, на который не попадает часть отрицательной полуволны, однако, это не опасно, ведь конденсатор имеет полярное свойство, что позволяет регулировать напряжение на концах элемента.

Итак, наша структура показывает следующее: диммер способен изменить значение мощности в диапазоне 50-ти и 100-та процентов (что является абсолютной нормой для “среднестатистического паяльника”).

Виды регуляторов мощности

Теперь предлагаю вам рассмотреть все виды регуляторов мощности, их достаточно много, но небольшие знания о них не помешают точно никому:

  • Диммер. Тот самый инструмент , про который шла речь в нашей структуре. Чаще всего его используют в качестве управляющего элемента мощностной нагрузки, при этом, в цепь подключается последовательно. Если мы говорим о статистике, то диммер применяется ради поправки световой яркости в различных типах ламп;
  • Автоматический регулятор мощности. Представляет из себя электронную структуру, которая позволяет изменить показания подводимой мощности (это происходит благодаря удержанию процесса включения прибора в работу на половинчатом периоде с переменным током);
  • Регулятор “Симосторной” мощности. Аналог автоматического регулятора, также используется в электроцепях с переменным током (применяется для мгновенных изменений различных параметров цепи);
  • Авто-электронный регулятор мощности. Это система, предназначенная для регулирования мощности хода и для управленческого процесса в оборотах электродвигателей;
  • “Дуговой” диммер мощности. Это элемент, имеющий ту конструкцию, которая способна обеспечить поддержку на постоянной основе определенному значению дугового горения.

Применение тиристоров

Итак, как вам стало известно ранее, основным назначением тиристоров является их способность управлять мощностью нагрузки.

Кроме того, они имеют ряд других достоинств, а именно: быть “выпрямителем”, иметь два номинально-устойчивых положения, служить в качестве усилителя тока. Именно из-за вышеназванных качественных особенностей, полупроводниковый прибор нашел достаточно широкое применение.

Тиристор используют в роли включателя/выключателя/переключателя в электрических коммутационных устройствах, ведь он способен замыкать и размыкать электроцепь.

Применение тиристоров

Также его активно задействуют как аппарат преобразования (так как тиристор способен генерировать постоянный ток в переменный) в солнечных батареях, в системах бесперебойного питания и в других областях, связанных с электроснабжениях.

Следует сказать и о возможностях тиристора в электронном зажигании, ведь устройство эксплуатируют в двигателях внутреннего сгорания, трамблерах и аккумуляторах для работы стартера.

Если говорить про быт, то надо напомнить, что полупроводниковое устройство применяется в сварке или машиностроении в качестве все того же инвертора.

Где купить тиристор?

Очевидно, что тиристор является достаточно эффективным электрическим аппаратом, который востребован в нынешнее время. Вы спросите: “А где его приобрести?”.

Я, конечно же, посоветую вам Aliexpress. Очень крутой интернет-магазин, выручающий практически всегда. Там не только все легко и понятно, а главное дешево и разнообразно (в плане выбора товара). Что касается тиристоров, то на Aliexpress их огромное количество видов типов, есть и аналоги. В общем, пользуйтесь и приобретайте!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *