Тиристорный ключ для разряда конденсатора. Способ управления транзисторным ключом на тиристоре и устройство для его осуществления

Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?

Тиристор – это полупроводниковый ключ, конструкция которого представляет собой четыре слоя. Они обладают способностью переходить из одного состояния в другое – из закрытого в открытое и наоборот.

Информация, представленная в данной статье, поможет дать исчерпывающий ответ на вопрос об этом аппарате.

В специализированной литературе этот прибор также носит название однооперационного тиристора. Это название обусловлено тем, что устройство является не полностью управляемым . Другими словами, при получении сигнала от управляющего объекта он может только перейти в режим включенного состояния. Для того чтобы выключить прибор, человеку придется выполнить дополнительные действия, которые и приведут к падению уровня напряжения до нулевой отметки.

Работа этого прибора основывается на использовании силового электрического поля. Для его переключения из одного состояния в другое применяется технология управления, передающая определенные сигналы. При этом ток по тиристору может двигаться только в одном направлении. В выключенном состоянии этот прибор обладает способностью выдерживать как прямой, так и обратное напряжение.

Способы включения и выключения тиристора

Переход в рабочее состояние стандартного этого типа аппарата осуществляет путем поучения импульса токового напряжения в определенной полярности. На скорость включения и на то, как он впоследствии будет работать, влияют следующие факторы:

Выключение тиристора может быть осуществлено некоторыми способами:

Естественное выключение. В технической литературе также встречается такое понятие, как естественная коммутация – оно аналогично естественному выключению.
Принудительное выключение (принудительная коммутация).

Естественное выключение этого аппарата осуществляется в процессе его функционирования в цепях с переменным током, когда происходит понижение уровня тока до нулевой отметки.

Принудительное выключение включает в себя большое количество самых разнообразных способов. Самым распространенным из них является следующий метод.

Конденсатор, обозначаемый латинской буквой C, соединяется с ключом. Он должен обозначаться маркеровкой S. При этом конденсатор перед замыканием должен быть заряжен.

Основные типы тиристоров

В настоящее время существует немалое количество тиристоров, которые различаются между собой своими техническими характеристиками – скоростью функционирования, способами и процессами управления, направлениями тока при нахождении в проводящем состоянии и др.

Наиболее распространенные типы

Тиристор-диод. Такой прибор аналогичен устройству, которое имеет встречно-параллельный диод во включенном режиме.
Диодный тиристор. Другое название – динистор. Отличительной характеристикой этого устройства является то, что переход в проводящий режим осуществляется в момент, когда уровень тока превышен.
Запираемый тиристор.
Симметричный. Он также носит название симистора. Конструкция этого прибора аналогична двум устройствам со встречно-параллельным диодами при нахождении в режиме работы.
Быстродействующий или инверторный. Этот тип устройства обладает способностью переходить в нерабочее состояние за рекордно короткое время – от 5 до 50 микросекунд.
Оптотиристор. Его работа осуществляется при помощи светового потока.
Тиристор под полевым управлением по ведущему электроду.

Обеспечение защиты

Тиристоры входят в перечень приборов, которые критично влияют на изменение скорости увеличения прямого тока. Как и для диодов, так и для тиристоров характерен процесс протекания обратного тока восстановления. Резкое изменение его скорости и падение до нулевой отметки приводит к повышенному риску возникновения перенапряжения.

Кроме того, перенапряжение в конструкции этого прибора может возникать вследствие полного исчезновении напряжения в разнообразных составных частях системы, например, в малых индуктивностях монтажа.

По вышеуказанным причинам в подавляющем большинстве случаев для обеспечения надежной защиты этих приборов применяют разнообразные схемы ЦФТП. Данные схемы при нахождении в динамическом режиме помогают защищать устройство от возникновения недопустимых значений напряжения.

Надежным средством защиты также является применение варистора . Это устройство подключается к местам вывода индуктивной нагрузки.

В самом общем виде применение такого прибора, как тиристор, можно разделить на следующие группы:

Ограничения тиристора

При работе с любым типом этого прибора следует соблюдать определенные правила техники безопасности, а также помнить о некоторых необходимых ограничениях.

Например, в случае с индуктивной нагрузкой при функционировании такой разновидности прибора, как симистор. В данной ситуации ограничения касаются скорости изменения уровня напряжения между двумя основными элементами – его анодами и рабочим током. Для ограничения влияния тока и перегрузки применяется RC-цепочка .

Принцип деяния тиристора

Тиристор является силовым электрическим не стопроцентно управляемым ключом. Потому время от времени в технической литературе его именуют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться исключительно в проводящее состояние, т. е. врубаться. Для его выключения (при работе на неизменном токе) нужно принимать особые меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

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

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с 3-мя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обыденный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная черта.

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

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от оборотного напряжения. При превышении оборотным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание оборотного тока, связанное с пробоем тиристора. Нрав пробоя может соответствовать необратимому процессу либо процессу лавинного пробоя, характерного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются более сильными электрическими ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте менее 1 кГц.

Конструктивное выполнение тиристоров приведено на рис. 2.

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

Тиристор в цепи неизменного тока

Включение обыденного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На продолжительность переходного процесса при включении существенное воздействие оказывают нрав 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 появляться 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 высочайшей.

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

Методы принудительной коммутации очень многообразны. Более свойственны из их последующие: подключение за ранее заряженного конденсатора С ключом S (рис 3, а); подключение LC-цепи с за ранее заряженным конденсатором CK (рис 3 б); внедрение колебательного нрава переходного процесса в цепи нагрузки (рис 3, в).

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

При коммутации по схеме на рис. 3,а подключение коммутирующего конденсатора с оборотной полярностью, к примеру другим вспомогательным тиристором, вызовет его разряд на проводящий основной тиристор. Потому что разрядный ток конденсатора ориентирован встречно прямому току тиристора, последний понижается до нуля и тиристор выключится.

В схеме на рис. 3,б подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего конденсатора Ск. При всем этом сначала разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Дальше ток LC-контура перебегает из тиристора VS в диодик VD. Пока через диодик VD протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено оборотное напряжение, равное падению напряжения на открытом диодике.

В схеме на рис. 3,в включение тиристора VS на всеохватывающую RLC-нагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный нрав с конфигурацией полярности тока нагрузки iн. В данном случае после выключения тиристора VS происходит включение диодика VD, который начинает проводить ток обратной полярности. Время от времени этот метод коммутации именуется квазиестественным, потому что он связан с конфигурацией полярности тока нагрузки.

Тиристор в цепи переменного тока

При включении тиристора в цепь переменного тока может быть воплощение последующих операций:

Включение и отключение электронной 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.

Потому что тиристорный ключ способен проводить электронный ток исключительно в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 4,а).

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

Среднее и действующее значения тока варьируются за счёт конфигурации момента подачи на тиристоры VS1 и VS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт конфигурации угла и (рис. 4,б). Значения этого угла для тиристоров VS1 и VS2 при регулировании меняется сразу с помощью системы управления. Угол именуется углом управления либо углом отпирания тиристора.

Более обширное применение в силовых электрических аппаратах получили фазовое (рис. 4,а,б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 4,в).

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 способе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки может быть как за счёт конфигурации угла α , так и угла θ . Искусственная коммутация осуществляется при помощи особых узлов либо при использовании стопроцентно 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 частотным помехам – появляется так именуемая электрическая несопоставимость.

Тиристоры являются более сильными электрическими ключами, применяемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных (сильнотоковых) цепей. Но они имеют значимый недочет – неполную маневренность, которая проявляется в том, что для их выключения нужно сделать условия понижения прямого тока до нуля. Это в почти всех случаях ограничивает и усложняет внедрение тиристоров.

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

Запираемые тиристоры (ЗТ) имеют четырехслойную р-п-р-п структуру, но в то же время владеют рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципно хорошее от обычных тиристоров – свойство полной маневренности. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении схожа ВАХ обыденных тиристоров. Но перекрыть огромные оборотные напряжения запираемый тиристор обычно не способен и нередко соединяется со встречно-параллельно включенным диодиком. Не считая того, для запираемых тиристоров свойственны значимые падения прямого напряжения. Для выключения запираемого тиристора нужно подать в цепь управляющего электрода мощнейший импульс отрицательного тока (приблизительно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но недлинной продолжительности (10-100 мкс).

Запираемые тиристоры также имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (приблизительно на 20-30 %) по сопоставлению с обыкновенными тиристорами.

Главные типы тиристоров

Не считая запираемых тиристоров разработана широкая палитра тиристоров разных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Посреди их необходимо подчеркнуть последующие типы:

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

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

запираемый тиристор (рис. 6.12,c);

симметричный тиристор либо 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 , к примеру, на базе композиции МОП-транзистора с тиристором;

оптотиристор, управляемый световым потоком.

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

Тиристоры являются устройствами, критическими к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодикам, присуще явление протекания оборотного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля ухудшает возможность появления перенапряжений с высочайшим значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Потому для защиты тиристоров обычно употребляют разные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах производят защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

Почти всегда внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтоб не вводить дополнительную индуктивность LS . Потому на практике почаще появляется необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Рис. 7. Типовая схема защиты тиристора

Для этой цели обычно употребляют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Есть разные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их характеристик для различных критерий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров используются цепи формирования линии движения переключения, подобных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

♠ Система управления тиристорами в цепях переменного и пульсирующего тока использует, синхронизированную с сетью, бесконечную серию управляющих импульсов и осуществляет сдвиг фазы фронтов управляющих импульсов относительно перехода напряжения сети через ноль. Сформированный специальным устройством управляющий импульс подается на переход управляющий электрод – катод тиристора, которым и подключает электрическую сеть в нагрузку. Разберем работу такой системы на примере регулятора температуры жала электрического паяльника мощностью до 100 ватт и напряжением 220 вольт . Схема этого устройства изображена на рис 1 .

♠ Регулятор температуры электрического паяльника в сети переменного тока 220 вольт, состоит из диодного мостика на КЦ405А , тиристора КУ202Н , стабилитрона, узла формирования импульсов управления. С помощью мостика переменное напряжение превращается в пульсирующее напряжение (Umax = 310 B) положительной полярности (точка Т1) .

Узел формирования состоит: — стабилитрон, формирует за каждый полупериод трапецевидное напряжение (точка Т2) ; — временная зарядно-разрядная цепочка R2, R3, C ; — аналог динистора Тр1, Тр2 .

С резистора R4 снимается напряжение импульса для запуска тиристора (точка 4) .

На графиках (рис 2) показан процесс формирования напряжений в точках Т1 – Т5 при изменении переменного резистора R2 от нуля до максимума.

Через резистор R1 пульсирующее напряжение сети поступает на стабилитрон КС510 . На стабилитроне формируется напряжение трапецевидной формы величиной 10 вольт (точка Т2) . Оно определяет начало и конец участка регулирования.

♠ Параметры временной цепочки (R2, R3, C) подобраны так, чтобы за время одного полупериода конденсатор С успел зарядиться полностью. С началом перехода напряжения сети Uc через ноль, с появлением трапецеидального напряжения, начинает расти напряжение на конденсаторе С . При достижении напряжения на конденсаторе Uк = 10 вольт , пробивается аналог тиристора (Тр1, Тр2) . Конденсатор С через аналог разряжается на резистор R4 и, включенный параллельно ему, переход Уэ – К тиристора (точка Т3) и включает тиристор. Тиристор КУ202 пропускает основной ток нагрузи по цепи: сеть – КЦ405 – спираль паяльника – анод – катод тиристора – КЦ405 – предохранитель — сеть . Резисторы R5 — R6 служат для устойчивой работы устройства.

♠ Запуск управляющего узла автоматически синхронизирован с напряжением Uc сети. Стабилитрон может быть Д814В,Г,Д. или КС510,КС210 на напряжение 9 – 12 вольт. Переменный резистор R2 – 47 — 56 Ком мощностью не менее 0,5 ватт . Конденсатор С – 0,15 — 0,22 мкФ , не более. Резистор R1 – желательно набрать из трех резисторов по 8,2 Ком , двух ваттных, чтобы не сильно нагревались. Транзисторы Тр1, Тр2 – пары КТ814А, КТ815А; КТ503А, КТ502А и др.

♠ Если регулируемая мощность не превысит 100 ватт , можно использовать тиристор без радиатора. Если мощность нагрузки больше 100 ватт необходим радиатор площадью 10 – 20 см.кв . ♠ В данном импульсно – фазовом методе импульс запуска для тиристора вырабатывается в пределах всего полупериода. Т.е. происходит регулировка мощности почти от ноля до 100%, при регулировании фазового угла от а=0 до а=180 градусов. На графиках в точке №5 показаны формы напряжений на нагрузке при выборочных фазовых углах: а = 160, а = 116, а = 85, а = 18 градусов. При значении а = 160 градусов , тиристор закрыт почти во все время прохождения полупериода сетевого напряжения (мощность в нагрузке очень мала). При значении а = 18 градусов , тиристор открыт почти во все время действия полупериода (мощность в нагрузке равна почти 100% ). В графиках в точке №4 во время открытия тиристора, вместе с появлением запускающего импульса, добавляется падение напряжения на открытом тиристоре (Uп на графике в точке №4 ).

Все показанные эпюры напряжений в точках Т1 — Т5 , относительно точки Т6 , можно посмотреть на осциллографе.

Тиристор в цепи переменного тока. Фазовый метод.

♦ Известно, что электрический ток в бытовой и промышленной сети изменяется по синусоидальному закону. Форма переменного электрического тока частотой 50 герц , представлена на рис 1 а) .

За один период, цикл, напряжение меняет свое значение: 0 → (+Umax) → 0 → (-Umax) → 0 . Если представить себе простейший генератор переменного тока (рис 1 б) с одной парой полюсов, где получение синусоидального переменного тока определяет поворот рамки ротора за один оборот, то каждое положение ротора в определенное время периода соответствует определенной величине выходного напряжения.

Или, каждому значению величины синусоидального напряжения за период, соответствует определенный угол α поворота рамки. Фазовый угол α , это угол, определяющий значение периодически изменяющейся величины в данный момент времени.

В момент фазового угла:

α = 0° напряжения U = 0 ;
α = 90° напряжение U = +Umax ;
α=180° напряжение U = 0 ;
α = 270° напряжение U = — Umax ;
α = 360° напряжение U = 0.

♦ Регулировка напряжения с помощью тиристора в цепях переменного тока как раз и использует эти особенности синусоидального переменного тока. Как упоминалось ранее в статье « »: тиристор, это полупроводниковый прибор, работающий по закону управляемого электрического вентиля. Он имеет два устойчивых состояния. В определенных условиях может иметь проводящее состояние (открыт) и непроводящее состояние (закрыт) . ♦ Тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. С помощью управляющего электрода можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть изменять электрические параметры вентиля. Тиристор может пропускать электрический ток только в одном направлении - от анода к катоду (симистор пропускает ток в обоих направлениях). Поэтому, для работы тиристора, переменный ток необходимо преобразовать (выпрямить с помощью диодного мостика) в пульсирующее напряжение положительной полярности с переходом напряжения через ноль, как на Рис 2 .

♦ Способ управления тиристором сводится к тому, чтобы в момент времени t (во время действия полупериода Uс ) через переход Уэ – К , прошел ток включения Iвкл тиристора.

С этого момента через тиристор идет основной ток катод — анод, до следующего перехода полупериода через ноль, когда тиристор закроется. Ток включения Iвкл тиристора можно получить разными способами. 1. За счет тока протекающего через: +U – R1 – R2 – Уэ – K – -U (на схеме рис 3) . 2. От отдельного узла формирования управляющих импульсов и подаче их между управляющим электродом и катодом.

♦ В первом случае ток управляющего электрода протекает через переход Уэ – К, постепенно увеличивается (нарастая вместе с напряжением Uс ), пока не достигнет величины Iвкл . Тиристор откроется.

фазовым методом .

♦ Во втором случае сформированный в специальном устройстве, короткий импульс в нужный момент времени подается на переход Уэ – К , от которого тиристор открывается.

Такой способ управления тиристором называется импульсно – фазовым методом . В обоих случаях ток, управляющий включением тиристора, должен быть синхронизирован с началом перехода сетевого напряжения Uс через ноль.Действие управляющего электрода сводится к управлению моментом включения тиристора.

Фазовый метод управления тиристором.

♦ Попробуем на простом примере тиристорного регулятора освещения (схема на рис.3 ) разобрать особенности работы тиристора в цепи переменного тока.

После выпрямительного мостика напряжение представляет собой пульсирующее напряжение, изменяющееся в виде: 0→ (+Umax) → 0 → (+Umax) → 0, как на рис.2

♦ Начало управления тиристором сводится к следующему. При возрастании напряжения сети Uс , от момента перехода напряжения через ноль, в цепи управляющего электрода появляется ток управления Iуп по цепи: +U – R1 – R2 – Уэ – К – -U. С ростом напряжения Uс растет и ток управления Iуп (управляющий электрод — катод).

При достижении тока управляющего электрода величины Iвкл , тиристор включается (открывается) и замыкает точки +U и –U на схеме.

Падение напряжения на открытом тиристоре (анод — катод) составляет 1,5 – 2,0 вольта. Ток управляющего электрода упадет почти до нуля, а тиристор останется в проводящем состоянии до момента, когда напряжение Uс сети не упадет до нуля. С действием нового полупериода напряжения сети, все повторится сначала.

♦ В цепи протекает только ток нагрузки, то есть ток через лампочку Л1 по цепи: Uс – предохранитель – диодный мост – анод — катод тиристора – диодный мост – лампочка Л1 — Uс. Лампочка будет загораться с каждым полупериодом сетевого напряжения и тухнуть при переходе напряжения через ноль.

Проведем небольшие вычисления для примера рис.3 . Используем данные элементов как на схеме. По справочнику для тиристора КУ202Н ток включения Iвкл = 100 мА . В реальности же он намного меньше и составляет 10 – 20 мА, в зависимости от экземпляра. Возьмем для примера Iвкл = 10 мА . Управление моментом включения (регулировка яркости) происходит путем изменения величины переменного сопротивления резистора R1 . Для разных значений резистора R1 , будут разные напряжения пробоя тиристора. При этом момент включения тиристора будет меняться в пределах:

1. R1 = 0, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (0 + 2 = 20 вольт. 2. R1 = 14,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (13 + 2) = 150 вольт. 3. R1 = 19,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (18 + 2) = 200 вольт. 4. R1 = 29,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (28 + 2) = 300 вольт. 5. R1 = 30,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (308 + 2) = 310 вольт.

Фазовый угол α изменяется в пределах от а = 10, до а = 90 градусов. Примерный результат этих вычислений приведен на рис. 4.

♦ Заштрихованная часть синусоиды соответствует выделяемой мощности на нагрузке. Регулировка мощности фазовым методом, возможна только в узком диапазоне угла управления от a = 10°, до а = 90° . То есть, в пределах от 90% до 50% мощности выделяемой на нагрузке.

Начало регулирования от фазового угла а = 10 градусов объясняется тем, что в момент времени t=0 – t=1 , ток в цепи управляющего электрода еще не достиг значения Iвкл (Uс не достигло величины 20 вольт).

Все эти условия выполнимы в случае, если в схеме нет конденсатора С . Если поставить конденсатор С (в схеме рис 2), диапазон регулирования напряжения (фазового угла) сместится вправо как на рис.5 .

Это объясняется тем, что в первое время (t=0 – t=1 ), весь ток идет на зарядку конденсатора С , напряжение между Уэ и К тиристора равно нулю и он не может включится.

Как только конденсатор зарядится, ток пойдет через управляющий электрод – катод, тиристор включится.

Угол регулирования зависит от емкости конденсатора и сдвигается примерно от а = 30 до а = 120 градусов (при емкости конденсатора 50 мкФ ). Как проверить тиристор?

На своем блоге я поместил рассылку на бесплатные уроки на тему: . В этих уроках я, в популярной форме, постарался как можно проще изложить суть работы тиристора: как он устроен, как работает в цепи постоянного и переменного тока. Привел много действующих схем на тиристорах и динисторах.

В этом уроке, по просьбе подписчиков, привожу несколько примеров проверки тиристора на целостность.

Как же проверить тиристор?

Предварительная проверка тиристора проводится с помощью тестера-омметра или цифрового мультиметра . Переключатель цифрового мультиметра должен стоять в положении проверки диодов. С помощью омметра или мультиметра, проверяются переходы тиристора: управляющий электрод – катод и переход анод – катод. Сопротивление перехода тиристора, управляющий электрод – катод, должно быть в пределах 50 – 500 Ом. В каждом случае величина этого сопротивления должна быть примерно одинакова при прямом и обратном измерении. Чем больше величина этого сопротивления, тем чувствительнее тиристор. Другими словами, будет меньше величина тока управляющего электрода, при котором тиристор переходит из закрытого состояния в открытое состояние. У исправного тиристора величина сопротивления перехода анод – катод, при прямом и обратном измерении, должна быть очень большой, то есть имеет «бесконечную» величину. Положительный результат этой предварительной проверки, еще ни о чем не говорит. Если тиристор уже стоял где то в схеме, у него может быть «прогорел» переход анод — катод. Эту неисправность тиристора мультиметром не определишь.

Основную проверку тиристора нужно проводить, используя дополнительные источники питания. В этом случае полностью проверяется работа тиристора. Тиристор перейдет в открытое состояние в том случае, если через переход, катод – управляющий электрод, пройдет кратковременный импульс тока, достаточный для открытия тиристора.

Такой ток можно получить двумя способами: 1. Использовать основной источник питания и резистор R, как на рисунке №1. 2. Использовать дополнительный источник управляющего напряжения, как на рисунке №2.

Рассмотрим схему проверки тиристора на рисунке №1. Можно изготовить небольшую испытательную плату, на которой разместить провода, индикаторную лампочку и кнопки переключения.

Проведем проверку тиристора при питании схемы постоянным током.

В качестве нагрузочного сопротивления и наглядного индикатора работы тиристора, применим маломощную электрическую лампочку на соответствующее напряжение. Величина сопротивления резистора R выбирается из расчета, чтобы ток, протекающий через управляющий электрод – катод, был достаточным для включения тиристора. Ток управления тиристором пройдет по цепи: плюс (+) – замкнутая кнопка Кн1 – замкнутая кнопка Кн2 – резистор R – управляющий электрод – катод – минус (-). Ток управления тиристора для КУ202 по справочнику равен 0,1 ампера. В реальности, ток включения тиристора, где то 20 – 50 миллиампер и даже меньше. Возьмем 20 миллиампер, или 0,02 ампера. Основным источником питания может быть любой выпрямитель, аккумулятор или набор батареек. Напряжение может быть любым, от 5 до 25 вольт. Определим сопротивление резистора R . Возьмем для расчета источник питания U = 12 вольт. R = U: I = 12 В: 0,02 А = 600 Ом. Где: U – напряжение источника питания; I – ток в цепи управляющего электрода.

Величина резистора R будет равна 600 Ом. Если напряжение источника будет, например, 24 Вольта, то соответственно R = 1200 Ом.

Схема на рисунке №1 работает следующим образом.

В исходном состоянии тиристор закрыт, электрическая лампочка не горит. Схема в таком состоянии может находиться сколько угодно долго. Нажмем кнопку Кн2 и отпустим. По цепи управляющего электрода пойдет импульс тока управления. Тиристор откроется. Лампочка будет гореть, даже если будет оборвана цепь управляющего электрода. Нажмем и отпустим кнопку Кн1. Цепь тока нагрузки, проходящего через тиристор, оборвется и тиристор закроется. Схема придет в исходное состояние.

Проверим работу тиристора в цепи переменного тока.

Вместо источника постоянного напряжения U включим переменное напряжение 12 вольт, от какого либо трансформатора (рисунок №2).

В исходном состоянии лампочка гореть не будет. Нажмем кнопку Кн2. При нажатой кнопке лампочка горит. При отжатой кнопке — тухнет. При этом лампочка горит «в пол – накала». Это происходит потому, что тиристор пропускает только положительную полуволну переменного напряжения. Если вместо тиристора будем проверять симистор, например КУ208, то лампочка будет гореть в полный накал. Симистор пропускает обе полуволны переменного напряжения.

Как проверить тиристор от отдельного источника управляющего напряжения?

Вернемся к первой схеме проверки тиристора, от источника постоянного напряжения, но несколько видоизменив ее.

Смотрим рисунок №3.

В этой схеме ток управляющего электрода подается от отдельного источника. В качестве него можно использовать плоскую батарейку. При кратковременном нажатии на кнопку Кн2, лампочка так же загорится, как и в случае на рисунке №1. Ток управляющего электрода должен быть не менее 15 – 20 миллиампер. Запирается тиристор, так же, нажатием кнопки Кн1.

4. Урок №4 — «Тиристор в цепи переменного тока. Импульсно — фазовый метод»

5. Урок №5 — «Тиристорный регулятор в зарядном устройстве»

В этих уроках, в простой и удобной форме, излагаются основные сведения по полупроводниковым приборам: динисторам и тиристорам.

Что такое динистор и тиристор, выды тиристоров и их вольт — амперные характеристики, работа динисторов и тиристоров в цепях постоянного и переменного тока, транзисторные аналоги динистора и тиристора.

А так же: способы управления электрической мощностью переменного тока, фазовый и импульсно-фазовый методы.

Каждый теоретический материал подтверждается практическими примерами. Приводятся действующие схемы: релаксационного генератора и фиксированной кнопки, реализованных на динисторе и его транзисторном аналоге; схема защиты от короткого замыкания в стабилизаторе напряжения и многое другое.

Особенно интересна для автолюбителей схема зарядного устройства для аккумулятора на 12 вольт на тиристорах. Приводятся эпюры формы напряжения в рабочих точках действующих устройств управления переменным напряжением при фазовом и импульсно-фазовом методах.

Чтобы получить эти бесплатные уроки подпишитесь на рассылку, заполните форму подписки и нажмите кнопку «Подписаться».

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 П 2 . 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.

Поскольку импульсный ток управления I У.ОБР запирающий тиристор, зависит от тока анода I ПР , то управляемость запираемого тиристора характеризуется импульсным коэффициентом запирания B ЗАП = I ПР / I ЗАП (при I У.ОБР = I ЗАП тиристор запирается).

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 ихследования.

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

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

где I ПР - установившееся значение тока нагрузки; - постоянна» времени цепи нагрузки; τ Н = L Н /R Н ; t ВКЛ - длительность импульса управления при чисто активной нагрузке.

Для уменьшения длительности управляющих импульсов индуктивную нагрузку целесообразно шунтировать активным сопротивлением или последовательной R С -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 D 1 увеличивает входное сопротивление схемы. Для отпирания S в схеме рис. 4.7.2-д должны выполняться неравенства

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

где t Ф.МАХ - максимальная длительность фронта входного импульса C S - емкость тиристора.

нализ 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 0 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.

олее 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.

араметры 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.

Для формирования мощных коротких импульсов используется выключение тиристоров с помощью последовательного LC -контура. Основное преимущество способа заключается в простоте коммутирующих цепей (рис. 4.7.5), не содержащих вспомогательных тиристоров и зарядных цепей. Для выключения тиристора с помощью LC -контура ударного возбуждения при R t ВЫКЛ . Для формирования мощных коротких импульсов длительностью t И Распечатать

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎