Тиристори принцип дії, конструкції, типи і способи включення

Принцип дії тиристора

Тиристор є силовим електричним не повністю керованим ключем. Тому час від часу в технічній літературі його називають одноопераційних тиристором, який може сигналом управління переводитися виключно в провідний стан, т. Е. Включатися. Для його виключення (при роботі на постійному струмі) потрібно вживати особливих заходів, що забезпечують спадання прямого струму до нуля.

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

Тиристор має чотиришарову p-n-p-n-структуру з 3-ма висновками: анод (A), катод (C) і керуючий електрод (G), що відображено на рис. 1

Мал. 1. Звичайний тиристор: a) - умовно-графічне обозначеніе- б) - вольтамперная риса.

На рис. 1, b представлено сімейство вихідних статичних ВАХ при різних значеннях струму управління iG. Граничне пряме напруга, яке витримується тиристором без його включення, має найбільші значення при iG = 0. При збільшенні струму iG пряме напруга, витримується тиристором, знижується. Включеному стану тиристора відповідає гілка II, виключеного - гілка I, процесу включення - гілка III. Утримує струм або струм утримання дорівнює мало допустимого значення прямого струму iA, при якому тиристор залишається в провідному стані. Цьому значенню також відповідає мінімально можливе значення прямого падіння напруги на включеному тиристори.

Гілка IV являє собою залежність струму витоку від оборотного напруги. При перевищенні оборотним напругою значення UBO починається різке зростання оборотного струму, пов`язане з пробоєм тиристора. Характер пробою може відповідати незворотного процесу або процесу лавинного пробою, характерного роботі напівпровідникового стабілітрона.

Тиристори є більш сильними електричними ключами, здатними коммутировать ланцюга з напругою до 5 кВ і струмами до 5 кА при частоті менше 1 кГц.

Конструктивне виконання тиристорів наведено на рис. 2.

Мал. 2. Конструкція корпусів тиристорів: а) - таблеточная- б) - штирьова

Тиристор в ланцюзі постійного струму

Включення буденного тиристора здійснюється подачею імпульсу струму в ланцюг управління позитивної, щодо катода, полярності. На тривалість перехідного процесу при включенні істотний вплив надають характер навантаження (активний, індуктивний і ін.), Амплітуда і швидкість наростання імпульсу струму управління iG, температура напівпровідникової структури тиристора, прикладена напруга і струм навантаження. У ланцюзі, що містить тиристор, не повинно з`являтися 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.

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

Методи примусової комутації дуже різноманітні. Більш властиві з їхнім подальшим: підключення за раніше зарядженого конденсатора З ключем S (рис 3, а) - підключення LC-ланцюга з попередньо зарядженим конденсатором CK (рис 3 б) - впровадження коливального характеру перехідного процесу в ланцюзі навантаження (рис 3, в ).

Мал. 3. Методи штучної комутації тиристорів: а) - засобом зарядженого конденсатора С б) - засобом коливального розряду LC-контура- в) - за рахунок коливального характеру навантаження

При комутації за схемою на рис. 3, а підключення коммутирующего конденсатора зі зворотного полярністю, наприклад іншим допоміжним тиристором, викличе його розряд на проводить основний тиристор. Тому що розрядний струм конденсатора орієнтований зустрічно прямому струму тиристора, останній знижується до нуля і тиристор вимикається.

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

У схемі на рис. 3, в включення тиристора VS на всеохоплюючу RLC-навантаження викличе перехідний процес. При певних параметрах навантаження цей процес може мати коливальний характер з конфігурацією полярності струму навантаження iн. В даному випадку після виключення тиристора VS відбувається включення діодіка VD, який починає проводити струм зворотної полярності. Час від часу цей метод комутації іменується квазіестественним, тому що він пов`язаний зі зміною полярності струму навантаження.

Тиристор в колі змінного струму

При включенні тиристора в ланцюг змінного струму може бути втілення наступних операцій:

• включення і відключення електронної ланцюга з активною і активно-реактивної нагрузкой-

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

Тому що 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).

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

Середнє 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 відразу за допомогою системи управління. Кут іменується кутом управління або кутом відмикання тиристора.

Більш широке застосування в силових електричних апаратах отримали фазовий (рис. 4, а, б) і широтно-імпульсна управління тиристорами (рис. 4, в).

Мал. 5. Вид напруги на навантаженні при: а) - фазовому управлінні тірістором- б) - фазовому управлінні тиристором з примусовою коммутаціей- в) - широтно-імпульсному управлінні тиристором

При фазовому способі управління тиристором з примусовою комутацією регулювання струму навантаження може бути як за рахунок зміни кута α, так і кута θ. Штучна комутація здійснюється за допомогою особливих вузлів або при використанні стовідсотково керованих (замикаються) тиристорів.

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

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

Крива струму в навантаженні при фазовому управлінні тиристорами несинусоїдальний, що викликає спотворення форми напруги мережі живлення і порушення в роботі споживачів, чутливих до частотним перешкод - з`являється так звана електрична несумісність.

замикаються тиристори

Тиристори є більш сильними електричними ключами, застосовуваними для комутації високовольтних і потужнострумових (сильнострумових) ланцюгів. Але вони мають істотний недолік - неповну маневреність, яка проявляється в тому, що для їх виключення необхідно створити умови зниження прямого струму до нуля. Це в багатьох випадках обмежує і ускладнює впровадження тиристорів.

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

Замикаються тиристори (ЗТ) мають чотиришарову р-п-р-п структуру, але в той же час мають ряд істотних конструктивних особливостей, які надають їм принципово відмінне від звичайних тиристорів - властивість повної маневреності. Статична ВАХ замикаються тиристорів в прямому напрямку схожа ВАХ звичайних тиристорів. Але перекрити величезні оборотні напруги тиристор, що замикається зазвичай не здатний і нерідко поєднується з зустрічно-паралельно включеним діодіком. Крім того, для замикаються тиристорів властиві значущі падіння прямої напруги. Для виключення замикається тиристора потрібно подати в ланцюг керуючого електрода потужний імпульс негативного струму (приблизно 1: 5 по відношенню до значення прямого вимикати струму), але недовгою тривалості (10-100 мкс).

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

Головні типи тиристорів

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

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

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

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

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

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

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

• оптотиристор, керований світловим потоком.

Мал. 6. Умовно-графічне позначення тиристорів: a) - тиристор-діод- b) - доданий тиристор (динистор) - c) - замикається тірістор- d) - симистор

захист тиристорів

Тиристори є пристроями, критичними до швидкостей наростання прямого струму diA / dt і прямого напруги duAC / dt. Тиристорам, як і діодікам, притаманне явище протікання оборотного струму відновлення, різке спадання якого до нуля погіршує можливість появи перенапруг з найвищим значенням duAC / dt. Такі перенапруги 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 виробляють 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 з`являється необхідність в ЦФТП, що знижують рівень і швидкість перенапруг при відключенні (рис. 7).

Для цієї мети зазвичай використовують RC-ланцюги, що підключаються паралельно тиристору. Є різні схемотехнічні модифікації RC-ланцюгів і методики розрахунку їх характеристик для різних критерій використання тиристорів.

Для замикаються тиристорів використовуються ланцюги формування траєкторії перемикання, подібних по схемотехніці ЦФТП транзисторів.