Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения

20 июля 2012 в 10:00

Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения

Принцип действия тиристора

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

 

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.

 

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.

 

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).

 

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).

 

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).

 

При фазовом методе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки возможно как за счёт изменения угла α, так и угла θ. 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.

Запираемые тиристоры

Тиристоры 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

Кроме 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.

 

Защита тиристоров

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).

 

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.

4656
Закладки
Последние публикации
Комментарии 1
 

олег

Очень удобная подборка материалов для реферата по ФОЭ.Большое спасибо

 
Написать комментарий
Можно не указывать
На этот адрес будет отправлен ответ. Адрес не будет показан на сайте
*Обязательное поле
Сейчас читают
Последние комментарии
Mir2017lvar
2017 года у североамериканских робототехнических компаний было заказано 9773 робота, стоимость которых оценивается примерно в 516 млн. Это означает рост на 32 в единицах за тот же период к 20162017 года у североамериканских робототехнических компаний было заказано 9773 робота, стоимость которых оценивается примерно в 516 млн. Это означает рост на 32 в единицах за тот же период к 2016 году, который сохранил предыдущий рекорд. в первом квартале текущего года североамериканские потребители получили 8824 робота на сумму 494 миллиона, <a href=http://www.mirprom.ru/annoucement/102270>оснастка для робототехники</a>. Индустрия автоматизации продолжает расти устойчивыми темпами, так как компании инвестируют в повышение производительности и повышение конкурентоспособности, одновременно предоставляя рабочие места. Мы рады слышать о создаваемых новых рабочих местах и о том, как такие компании, как Amazon, GM и другие, обучают и переучивают свой персонал, чтобы позволить им занять эти высококвалифицированные рабочие места . Численность роботов, заказанных поставщиками автомобильных компонентов, выросла на 53, а заказы производителей автомобилей на 32 . Другим хорошим признаком будущего робототехники был дальнейший рост в не автомобильных отраслях, таких как металлы 54, полупроводники электроника 22 и продукты питания и товары народного потребления 15 .

Что можете посоветовать?
KristinaFaf
Есть кто дома? :)
Анонимный пользователь
БРИХУНЫ
Анатолий
Добрый вечер! нужен ОГ "Ландыш" -1 шт.
Анонимный пользователь
))) трехполосный... адидас что ли?
В очередном сочинении известного специалиста то и дело можно встретить стандартную фразу, например, такую:

«... различают активные и пассивные методы защиты МУРЗ (иков- добавлено мною) от ПДВВ»
На самом деле впервые об активных и пассивных методах известно давно и совсем из иных публикаций.
Но важно не это. Важно, что к пассивным МЕТОДАМ известный специалист относит ФИЛЬТРЫ (предмет) и, конечно же, ШКАФЫ (тоже предмет).
Используем самоцитирование и посмотрим, как написано об активной и пассивной настраиваемости (свойстве объекта) в широко известном учебнике, выдержавшем три издания (1975, 1982, 1988, издательство «Судостроение» (см. http://seaspirit.ru/marine_books/nastrojka-apparatury-i-sistem-sudovoj-elektroavtomatiki.html)
«Совокупность всех качеств систем автоматики, характеризующих её приспособленность к процессу настроечных работ, принято называть настраиваемостью.
Настраиваемость системы автоматики обеспечивается на разных этапах её создания. Если настраиваемость обеспечивается в период проектирования, когда для придания этих свойств приходится изменять схемное и аппаратное решение, то её называют активной.
Настраиваемость, придаваемую системе автоматики в период технологической подготовки производства настроечных работ называют пассивной, так схемные и аппаратные решение системы автоматики остаются неизменными.»

Почувствуйте разницу!

Оригинальный текст размещен здесь (см. https://rza.org.ua/blog/a-228.html)
Комиссия Российской академии наук пришла к выводу, что научная литература в стране пронизана плагиатом, самоплагиатом и «гостевым авторством».

Российские академические журналы отзывают более 800 научных статей после расследования случаев недобросовестной публикации, сообщает Znak.com.

Комиссия Российской академии наук пришла к выводу, что научная литература в стране пронизана плагиатом, самоплагиатом и «гостевым авторством».

Оказалось, что отечественные авторы часто повторно публикуют свои работы — нашлось более 70 тыс. подобных статей.

Также были выявлены случаи «неясного авторства» — академиков, являющихся авторами одной версии статьи, но не другой.

В итоге комиссия РАН попросила 541 журнал отозвать более 2,5 тыс. статей. Восемь журналов следовать рекомендации отказались.
Цитируется по https://yandex.ru/turbo?text=https%3A%2F%2Fmr-7.ru%2Farticles%2F213133%2F&d=1&utm_source=yxnews&utm_medium=desktop&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2Fnews