Схема ключа на тиристоре

Тиристоры составляют наиболее широкий класс полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением и предназначены в основном для коммутации токов и напряжений в сильноточных схемах. Большое число типов тиристоров с разнообразными характеристиками определяют многообразие ключевых и коммутирующих схем на их основе, тем не менее, общее свойство этих приборов — S-образная вольтамперная характеристика — позволяет обобщенно подходить к анализу статических и динамических свойств тиристорных ключей.

Для обеспечения работы ключа в двух устойчивых режимах его нагрузочная прямая должна пересекать вольт-амперную характеристику в трех точках (/, 2, 3) (рис. . )) из которых положения 1 и 3 являются устойчивыми. Если при отсутствии входного сигнала приложенное к тиристору прямое напряжение не превышает U_ВКЛ, то ключ находится в закрытом состоянии. Однако с приближением напряжения на тиристоре к величине, равной U_ВКЛ, закрытое состояние оказывается неустойчивым. Более того, некоторые образцы тиристоров могут самопроизвольно отпираться при выдержке под напряжением, значительно меньшем U_ВКЛ, что проявляется особенно сильно с увеличением, температуры. Поэтому закрытое состояние тиристора характеризуется лишь частью напряжения U_ВКЛ, т. е. максимально допустимым прямым напряжением U_{ПР.МАКС}, находясь под которым прибор должен оставаться закрытым в течение всего срока службы.

Для трехэлектродных тиристоров значение U_{ПР.МАКС} можно увеличить, если зашунтировать управляющий переход или подать на него отрицательное смещение, что вызывает протекание в цепи управляющего электрода запирающего тока I_У.ОБР, причем в случае шунтирования управляющего перехода ток I_У.ОБР является частью тока анода, ответвляющейся в цепь шунта.

Сопротивление тиристорного ключа в закрытом состоянии определяется током утечки в прямом направлении I_УТ, измеренным при напряжении U_{ПР.МАКС} и максимально допустимой температуре, и током I_К0 центрального перехода П₂. Это позволяет использовать в качестве эквивалентной схемы тиристора в закрытом состоянии сопротивление, величина которого равна R_ОБР, и источник тока I_К0 .

Сопротивление ключа в открытом состоянии определяется остаточным напряжением U_ОБР, измеренным при протекании максимального прямого тока I_ПР.МАХ, который задается исходя из максимально допустимой мощности рассеивания на тиристоре Р_МАХ. Это позволяет заменить открытый тиристор эквивалентным сопротивлением R_ПР. величина которого равна R_ПР = U_ОСТ/ I_ПР.МАХ и источником напряжения U_ОСТ.

Переключение тиристора из закрытого состояния в открытое должно осуществляться подачей отпирающего импульса в цепь управления для трехэлектродных приборов — триодных (ТТ) и запираемых (ЗТ) тиристоров или в цепь анод-катод для диодных тиристоров (ДТ). Между амплитудой импульса U_{ВКЛ.ИМП}, переключающего ДТ в открытое состояние, которую в соответствии со справочными обозначениями, принятыми для диодных тиристоров, будем обозначать U_ПУСК, и статическим значением U_ВКЛ не существует корреляционного соответствия. Амплитуда U_ПУСК в основном зависит от длительности фронта импульса отпирающего напряжения на аноде тиристора t_Ф, емкости участка анод-катод закрытого диодного тиристора C_ДТ≈ C_П2 где C_П2 — емкость центрального р-n перехода, а следовательно, и от внутреннего сопротивления генератора отпирающих импульсов R_ВН.

Для отпирания импульсного ключа, выполненного на трехэлектродном приборе (ТТ или ЗТ), и запирания ключа на ЗТ необходимо обеспечить протекание определенного импульса тока в цепи управления тиристора. Амплитуда этого импульса, прежде всего, зависит от его длительности, а при запирании — и от величины прямого тока анода I_ПР, протекающего через открытый тиристор.

Одним из основных параметров, характеризующих процесс отпирания трехэлектродных тиристоров, является импульсный ток спрямления I_СПР, под которым следует понимать минимальную амплитуду положительного импульса тока управления заданной длительности, переключающего тиристор в открытое состояние при определенном напряжении на аноде.

Длительность процесса отпирания характеризуется временем задержки t_З (ток анода возрастает до 0,1 I_ПР) и временем установления прямого сопротивления t_УСТ (ток анода изменяется от 0, I_ПР до 0,9 I_ПР), которые в сумме составляют время включения t_ВКЛ, а длительность процесса запирания характеризуется временем запаздывания t_ЗП (ток анода уменьшается до 0,9 I_ПР) и временем спада t_СП (ток анода изменяется от 0,9 I_ПР до 0,1 I_ПР), которые в сумме составляют время запирания t_ЗАП.

Время переключения тиристорного ключа, несмотря на действие сильной внутренней положительной обратной связи составляет существенно большую величину, чем аналогичный параметр у транзисторных ключей. Это объясняется режимом глубокого насыщения p-n-p-n — структуры и связанным с ним накоплением и рассасыванием большого объемного заряда. Из-за этого время включения тиристора составляет единицы микросекунд, а выключения — десятки и сотни микросекунд, уменьшаясь у высокочастотных тиристоров и тиристоров, прямой ток которых существенно меньше максимально допустимого.

Заметим, что при активно-индуктивном характере нагрузки тиристорного ключа нарастание прямого тока определяется не только и не столько инерционностью самого прибора, сколько постоянной времени нагрузки. Для таких ключей длительность управляющих импульсов выбирается не только по минимально заданным справочным данным, но и в зависимости от постоянной времени нагрузки, учитывая, что в течении длительности импульса управления прямой ток должен успеть превысить величину I_ВЫКЛ.

К числу параметров, характеризующих отпирание тиристорного ключа, следует отнести и максимально допустимую скорость нарастания анодного тока (dI_ПР/dt)_MAX. Ограничение скорости (dI_ПР/dt) сверху обусловлено влиянием неодномерных явлений на процесс отпирания тиристора и оказывается особенно сильным в режимах, когда амплитуда импульса прямого тока I_ПР.ИМП >> I_ПР.МАХ. Значения (dI_ПР/dt) иI_{ПР.ИМП.МАХ}. зависят от длительности импульсов прямого тока и частоты их следования.

Построение и расчет цепей отпирания, выключения и запирания тиристорных ключей являются первоочередными задачами, которые приходится решать при проектировании тиристорных устройств. При этом под выключением тиристоров понимается их выключение пo анодной цепи, а под запиранием — выключение по цепи управляющего электрода.

Анализ цепей отпирания. Цепь отпирания должна обеспечить включение от импульса сигнала управления, защиту тиристора от отпирающего импульса помехи и запас по минимально допустимому режиму входной цепи прибора. Эти требования необходимо удовлетворить в заданном диапазоне внешних, например, температурных, воздействий для любого тиристора выбранного типа.

Для обеспечения гарантированного включения тиристора и исключения его срабатывания от сигнала помехи U_ПОМ необходимо удовлетворить неравенства

(4.7.1)

(4.7.2)

где U_ПОМ.У и I_ПОМ.У — допустимые значения напряжения и тока помехи, действующей в управляющей цепи.

В случае индуктивного характера нагрузки (рис. 4.7.1-а) длительность импульса управления необходимо увеличить до значения

Для уменьшения длительности управляющих импульсов индуктивную нагрузку целесообразно шунтировать активным сопротивлением или последовательной RС-цепью (рис. 4.7.1-б и -в), параметры которых для схемы рис. 4.7.1, а выбираются из условия

а для схемы рис. 4.7.1.

;

Применение резистивно-емкостного шунта уменьшает потери мощности по сравнению с чисто резистивным шунтом, однако при

в схеме могут возникнуть колебательные процессы.Основные схемы цепей отпирания ключей на тиристорах показаны на рис. 4.7.2. Включение диода в управляющую цепь тиристора (рис. 4.7.2, —а и —б) исключает протекание обратного тока через управляющий переход, что не допускается для обычных триодных тиристоров, а включение R_Ш повышает устойчивость тиристоров против самопроизвольного включения В схеме (рис. 4.7.2-б) роль сопротивления шунта играет малое по постоянному току сопротивление выходной обмотки трансформатора. Включение разделительной емкости C_Р в схеме рис. 4.7.2-в позволяет сформировать управляющий импульс с формой, близкой к оптимальной, т. е. крутым и большим по амплитуде передним фронтом и экспоненциально убывающей вершиной.

Схемы цепей отпирания ключей на диодных тиристорах приведены на рис. 4.7.2 г-е. При подаче короткого импульса положительной (рис 4.7.2-г) или отрицательной (рис. 4.7.2-д) полярности в цепи анод — катод тиристора через емкость центрального перехода C_П2 = C_S протекает ток, который обеспечивает накопление в базах S заряда Q_ВКЛ, необходимого для отпирания прибора. Диод D₁ увеличивает входное сопротивление схемы. Для отпирания S в схеме рис. 4.7.2-д должны выполняться неравенства

и

а в схеме рис. 4.7.2 —г и д — неравенства

и

Анализ цепей выключения.Для выключения тиристора по аноду необходимо уменьшить протекающий через тиристор ток до величины меньшей I_ВЫКЛ.MIN, на время большее t_ВЫКЛ. В цепях постоянного тока эта задача решается с помощью транзисторного ключа или коммутирующих реактивных элементов

Схемы выключения тиристорного ключа с последовательным и параллельным транзисторами показаны на рис. 4.7.3 –а и —б. Последовательный

транзистор, запираясь оложительным импульсом, прерывает протекание тока через тиристор на время t_И > t_ВЫКЛ. Дополнительное подключение Е повышает надежность выключения, компенсируя ток I_К0 закрытого транзистора, и способствует повышению скорости рассасывания объемного заряда и, тем самым, уменьшает время выключения тиристора.

В схеме с параллельным транзистором при его отпирании основная часть анодного тока тиристора ответвляется через транзистор, прямой ток тиристора уменьшается ниже I_ВЫКЛ.MIN и тиристор запирается. Для повышения надежности запирания последовательно с тиристором можно включить диод D, который увеличивает остаточное напряжение и сопротивление шунтируемой транзистором цепи и тем самым уменьшает протекающий в ней при открытом транзисторе ток.

Поскольку в тиристорных ключах с транзисторными схемами выключения рассасывание накопленного в структуре заряда происходит только за счет процессов рекомбинации, то время выключения тиристоров затягивается, а амплитуды коммутируемых токов и напряжений, определяемые характеристиками транзисторов, ограничивают область применения тиристорных ключей. Такие схемы выключения применяются только для маломощных тиристоров.

Более широко в импульсной технике используются схемы выключения с помощью заряженного конденсатора и вспомогательного тиристора. Суть работы этих схем выключения заключается в том, что предварительно заряженный конденсатор с помощью вспомогательного тиристора подключается к основному тиристору таким образом, что ток его разряда направлен навстречу прямому току основного тиристора, что обеспечивает его форсированное запирание. Коммутирующий конденсаторС может быть подключен с помощью вспомогательного тиристора S2 параллельно основному тиристору S1 (рис. 4.7.4 –а-в), параллельно нагрузке (рис. 4.7.5 -г и д) или к соединенным последовательно тиристору S1 и нагрузке (рис. 4.7.4-е). Соответственно различают параллельную (рис. 4.7.4, а-д) и последовательную (рис. 4.7.4 -е) коммутации.

Параметры коммутирующей емкостиС и дросселя L рассчитывают исходя из условия, при котором на основном тиристоре за время перезаряда конденсатора до нуля сохраняется обратное напряжение течение отрезка времени длительностью не меньше t_ВЫКЛ. Заряд конденсаторов С обеспечивается специальной зарядной цепью, которая на рис. 4.7.4-б-е не показана.

Перед тем как разбираться с темой «тиристор – принцип работы», необходимо понять, что собой представляет этот небольшой прибор. По сути, это силовой ключ, только он всегда находится в открытом состоянии. Поэтому его часто называют не полностью управляемый ключ.

Тиристор

Необходимо отметить, что по своему устройству тиристор напоминает обыкновенный транзистор или диод. Правда, есть и существенные отличия. К примеру, диод – это полупроводниковый двухслойный элемент на кремневой основе (PN), транзистор – трехслойный (PNP или NPN), тиристор – четырехслойный (PNPN). То есть, у него три перехода p-n. Именно поэтому диодные выпрямители перед тиристорными являются менее эффективными. Это хорошо видно на схеме управления тиристорами.

Где применяются тиристоры

Область применения тиристоров обширна. К примеру, из них можно собрать инвертор для сварки или зарядное автомобильное устройство. Некоторые умельцы своими руками собирают даже генераторы. Самое важное, что тиристоры могут через себя пропускать токи и высокочастотные, и низкочастотные. Поэтому, собрав мост из этих приборов, можно изготовить трансформатор и для сварочного аппарата.

Cхема управления тиристором

Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.

Конструкция тиристора

Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

• Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
• Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
• Величина самой токовой нагрузки.
• Напряжение в цепи.
• Температура самого прибора.

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

• Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
• Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Тиристор в цепи переменного тока.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Управление тиристорами

В силовых электронных аппаратах чаще всего используется или фазное, или широтно-импульсное управление тиристором.

В первом случае регулировать токовую нагрузку можно за счет изменения углов или α, или θ. Это относится к принудительной нагрузке. Искусственную нагрузку можно регулировать только с помощью управляемого тиристора, который также называется запираемый.

При ШИМ (широтно-импульсной модуляции) во время Тоткр сигнал подается, а, значит, сам прибор находится в открытом состоянии, то есть, ток подается с напряжением Uн. В период времени Тзакр сигнал отсутствует, а сам прибор находится непроводящем состоянии.

Тиристорные светодиоды

Обычно тиристор и светодиод в одном светильнике не устанавливаются. Его место заменяет диод, который работает и на включение, и на отключение, как обычный ключ. Это связано с разными причинами, где основная – это конструкция и принцип действия самого прибора, который всегда находится в открытом состоянии. В настоящее время ученые изобрели так называемый тиристорный светодиод.

Тиристорный светодиод

Во-первых, тиристорный светодиод в своем составе кроме кремния имеет: галлий, алюминий, индий, мышьяк и сурьму. Во-вторых, спектр излучения при n-переходах между материалами создает волну длиною 1,95 мкм. А это достаточно большая оптическая мощность, если ее сравнивать с диодным элементом, который производит световые волны в том же диапазоне.

На Рис. 10.5 показана схема однофазного ключа на двух тиристорах, включенных встречно-параллельно. В этой схеме каждый тиристор проводит свою половину периода напряжения питания, причем доля напряжения, поступающего на нагрузку, определяется моментом подачи сигнала управления. Угол от перехода напряжением питания нуля до момента подачи импульса включения на управляющий электрод соответствующего тиристора называется углом задержки включения, а. На Рис. 10.6 приведены графики напряжений и токов в этой схеме при различных значениях а и коэффициенте мощности нагрузки.

Такие ключи широко применяются в устройствах регулировки яркости ламп накаливания (диммерах), управления нагревателями, линиях отжига, регуляторах напряжения и во многих других областях. Эти ключи могут работать при плохом коэффициенте мощности нагрузки, при большом сдвиге фаз между напряжением и током. Даже при коэффициенте мощности, близком к нулю, для нагрузок с постоянным импедансом удается уменьшать реактивную потребляемую мощность до весьма малых значений. При использовании этих ключей в потребляемом токе возбуждается широкий спектр всех нечетных гармоник.

Рис. 10.5. Схема однофазного ключа на двух тиристорах

Рис. 10.6. Графики напряжений и токов в схеме однофазного ключа на двух тиристорах при различных значениях а и коэффициенте мощности (КМ) нагрузки

Эти ключи могут быть использованы для плавного включения трансформаторов, исключающего пусковой бросок тока. Это особенно важно в случаях, когда трансформатор используется для питания выпрямителя с большой емкостной нагрузкой. Другое применение этих ключей — ограничение броска тока через холодную пить накала при включении ламп. Это позволяет существенно увеличить долговечность ламп накаливания, что особенно важно для ламп высокой мощности, используемых для освещения заливающим светом.

На Рис. 10.7 приведены схемы тиристорных ключей в трехфазных цепях. В схеме треугольника (на Рис. 10.7 слева) каждый ключ управляет напряжением на своей нагрузке. Эта схема применяется тогда, когда нагрузка может быть разделена на три независимые секции. Схема, приведенная на Рис. 10.7 справа, применяется намного чаще. В частности, она применяется для ограничения пускового броска тока в синхронных и асинхронных электродвигателях. В настоящее время тиристорные стартеры применяются при мощностях двигателей до 10000 л. с. при напряжении 13.8 кВ.

Рис. 10.7. Схемы трехфазных ключей

Формы токов и напряжений в трехфазных цепях с тиристорными ключами весьма сложны. На Рис. 10.8 и Рис. 10.9 приведены графики напряжений и токов для нагрузки с коэффициентом мощности 0.80 и фазовыми сдвигами 60 и 120° соответственно.

Рис. 10.8. Графики напряжений и тока одной фазы в схеме трехфазного ключа при угле задержки включения 60° и коэффициенте мощности 0.8

На Рис. 10.8 ток показам прерывистым, однако, если угол задержки включения будет немного меньше или коэффициент мощности ниже, ток станет непрерывным. При больших углах задержки включения (Рис. 10.9) ток оказывается прерывистым, да и напряжение заметно «подрезается».