Тиристоры

4. Тиристоры

4.1. Принцип работы  тиристора                                                        

Тиристор является четырехслойным прибором. Создается исключительно на основе кремния. Его структура показана на рис. 63.

Очень удачным подходом к объяснению принципа действия тиристора является представление его четырех слоев в виде двух взаимосвязанных транзисторов:

Цепь управляющий электрод-катод (УЭ-К) является диодным переходом. В эту цепь  допустимо подавать напряжение и управляющий ток только в направлении проводимости этого перехода. При отсутствии тока управления тиристор не проводит при любом знаке напряжения U_АК, при условии, что это напряжение не превышает допустимых значений. Допустимые значения оговариваются классом прибора.

Вольт-амперная характеристика тиристора представлена на рис. 64.

Обратная ветвь ВАХ  такая же, как у диода. Подавая ток управления, прямую ветвь можно изменять. Если подается номинальный ток  управления, то прямая ветвь ВАХ превращается в диодную. Тиристор является полууправляемым прибором, т.к. снятие тока управления у проводящего тиристора не приводит к восстановлению прямой ветви. Тиристор является ключевым прибором и управляется импульсами тока управления. Переход с характеристики  Iупр=0 на характеристику Iупр.ном происходит очень быстро.

4.2. Основные параметры тиристоров

Рекомендуемые материалы

       1. Класс.

Так же, как и у диода, класс характеризует максимальное повторяющееся напряжение, которое можно прикладывать к прибору как в прямом так и в  обратном направлении и при этом он остается в непроводящем состоянии. Uкл=Umax/(1,5…2), Umax=Uпр.max»Uобр.max. Классы от 0,5 до 20. Uкл=Кл×100 В.

2. Ток прямой номинальный.

Это допустимый средний ток в открытом состоянии. Диапазон токов: 100мА…1000А. Ток оговаривается при естественном и принудительном охлаждении. Принудительное охлаждение потоком воздуха применяется для мощных приборов. При этом оговаривается скорость воздуха.

        3. Прямое падение напряжения в открытом состоянии Uпр. откр.

Uпр.откр.=0,8...1,2V.

        4. Допустимая скорость нарастания напряжения на закрытом тиристоре в прямом направлении du/dt. Параметр du/dt приводится в справочнике. du/dt=100…2000В/мкс. Тиристор имеет паразитные межэлектродные емкости - рис. 65. При приложении крутого фронта прямого напряжения может произойти самопроизвольное включение тиристора.  Для ограничения  du/dt параллельно тиристору подключают конденсатор определенной  емкости, как показано на  рис. 66. Последовательно с конденсатором включают небольшое сопротивление, т.к. при включении тиристора конденсатор разряжается на него и R необходимо для ограничения тока  разряда. Диод параллельно R обычно не ставят. Обычно С=0,2…2мкФ, R=10…100ом мощностью до 25Вт. R-C цепь параллельно тиристору можно не ставить, если выбирается тиристор с большим запасом по классу. Это существенно снижает габариты преобразовательного устройства.

         5. Допустимая скорость нарастания тока через открытый тиристор di/dt. При включении тиристора средней и большой мощности  ток вначале начинает концентрироваться около управляющего электрода, а затем распределяется по всей полупроводниковой структуре. Концентрация тока, нарастающего с большой скоростью около управляющего электрода, может привести к прожогу структуры. Если di/dt ограничено, то ток успевает распределиться по структуре и разрушения полупроводника не будет. Для ограничения di/dt последовательно с тиристором включается индуктивность L. Часто в качестве L выступает индуктивность трансформатора питания.

         6. Время включения t_вкл.

Это интервал времени между началом импульса управления и моментом, когда напряжение на тиристоре снизится до 0,1 от напряжения питания. Составляет несколько мкс.

         7. Время выключения t_выкл.

Это интервал времени от момента перехода тока анода через ноль до момента приложения к нему прямого напряжения, не вызывающего его отпирания. В несколько раз больше времени включения. Для приборов средней мощности t_выкл=50…300мкс.

         8. Ток управления Iупр.

Различают Iупр.длит. и Iупр.имп. Iупр.имп=20…1000мА.

         9. Ток удержания Iуд.

Это минимальное значение прямого тока, при котором тиристор остается в открытом состоянии.  Обычно Iуд»Iупр.длит.

Пример обозначения тиристора: ТХ-100-10-ХХХ. Здесь ТХ - обозначение разработки тиристора, 100 -номинальный ток тиристора в А, 10 -класс тиристора, ХХХ -цифры, регламентирующие параметры du/dt, di/dt, t_выкл.

4.3. Двухполупериодный управляемый выпрямитель

 Схема показана на рис. 67, диаграммы работы - на рис. 68. Система управления СУ формирует управляющие импульсы, которые могут сдвигаться по фазе на угол  a относительно напряжений U₁,U₂ в функции сигнала управления U_у. Для того, чтобы СУ имела точку отсчета для угла a (точка перехода синусоиды питающего напряжения через ноль), в СУ вводится сигнал синусоидального напряжения синхронизации Uсинхр, фаза которого жестко связана с напряжением питания. Угол a называется угол управления, причем всегда a₁=a₂=a=0¸p. Схема позволяет регулировать среднее значение напряжения на нагрузке.

4.4. Регулятор переменного напряжения

Схема показана на рис. 69, диаграммы работы - на рис. 70. Регулируется  мгновенное и действующее значения напряжения на нагрузке. Тиристор, который работал,  выключается, когда i_н=0. Диапазон изменения угла управления a=0¸p. При a=0 на нагрузке полное синусоидальное напряжение. При a=p напряжение на нагрузке равно 0. Нарисуйте диаграмму напряжения на тиристоре VS1.

4.5. Схема на тиристоре для определения порядка чередования фаз

Для правильной работы трехфазное электрооборудование необходимо подключать к сети, соблюдая определенную последовательность чередования фаз. Если сетевые провода не промаркированы, сделать это поможет специальный прибор – фазоуказатель.

Схема простого фазоуказателя показана на нижеследующем рисунке.

Она позволяет определить порядок следования фаз в трехфазных электросетях с нулевым проводом, с которым соединяют клемму ХТЗ прибора, а клеммы ХТ1 и ХТ2 подключают к двум из трех фазных проводов.
Примечание: Для уменьшения мощности резисторов R2 и R3 в качестве тиристора VS1 целесообразно применять тиристор с малым током управления и током удержания. Очень хорошие параметры имеют импортные симисторы BT136 и BTA140-600(или 800), которые можно использовать в режиме тиристора: Uобр max=600(800)v; максимальный ток во включенном состоянии 25А; ток управляющего электрода 6-35млА; ток удержания 7-30млА. Вот изображение и описание корпуса BTA140:

Здесь управляющими являются выводы G, Т1.

Предположим, напряжение, приложенное к клемме ХТ1, отстает по фазе на 120° от напряжения на клемме ХТ2. Этой ситуации соответствуют графики на рис. Д1. Благодаря диоду VD1 ток Iупр в цепи управляющего электрода тиристора VS1 течет только в течение положительных полупериодов напряжения на клемме ХТ2. В момент t1, когда напряжение на клемме ХТ1 на аноде тиристора становится положительным, последний открывается и остается открытым до окончания полупериода (момента t2). Резистор R2 должен обеспечивать ток не менее тока удержания использованного тиристора.

"3.1 Основные итерационные методы" - тут тоже много полезного для Вас.

            Рис. Д1  

Номинал резистора R1 выбран таким образом, что светодиод VD1 светится ярко, сигнализируя, что порядок следования фаз соответствует маркировке клемм (ХТ2 – фаза "А", ХТ1 – "В", фаза, оставшаяся неподключенной, – "С").

Если к клемме ХТ1 присоединена фаза "С", то фаза тока управляющего электрода тиристора отстает на 120° от фазы анодного напряжения (рис. Д2). Теперь тиристор открывается в момент t0 и закрывается в момент t4. Среднее значение тока, протекающего через светодиод VD1, значительно меньше, чем в предыдущем случае, поэтому он светится очень слабо или вовсе не светится.

          Рис. Д2

Детали фазоуказателя должны быть смонтированы в корпусе из изоляционного материала подходящих размеров, на передней панели которого установлены клеммы ХТ1–ХТЗ и выведен светодиод  VD1.