Tiristoriai: veikimo principas, konstrukcija, tipai ir įtraukimo būdai

Tiristoriaus veikimo principas

Tiristorius yra galios elektroninis, nevisiškai valdomas jungiklis. Todėl kartais techninėje literatūroje jis vadinamas vieno veikimo tiristorius, kurį į laidžiąją būseną galima perjungti tik valdymo signalu, t.y. Norint jį išjungti (veikiant nuolatinei srovei), reikia imtis specialių priemonių, kad nuolatinė srovė nukristų iki nulio.

Tiristoriaus jungiklis gali vesti srovę tik viena kryptimi, o uždaroje būsenoje gali atlaikyti tiek tiesioginę, tiek atbulinę įtampą.

Tiristorius turi keturių sluoksnių p-n-p-n struktūrą su trimis laidais: anodas (A), katodas (C) ir vartai (G), kuris parodytas Fig. 1

Ryžiai. 1. Įprastas tiristorius: a) — įprastas grafinis žymėjimas; b) — voltų amperų charakteristika.

Fig. 1b parodyta išėjimo statinių I-V charakteristikų šeima, esant skirtingoms valdymo srovės iG vertėms. Ribinė tiesioginė įtampa, kurią tiristorius gali atlaikyti jo neįjungęs, yra maksimalios iG = 0.Didėjant srovei, iG sumažina įtampą, kurią gali atlaikyti tiristorius. Tiristoriaus įjungimo būsena atitinka II atšaką, išjungimo būsena – I šaką, o perjungimo procesas – III šaką. Laikymo srovė arba laikymo srovė lygi minimaliai leistinai tiesioginei srovei iA, kuriai esant tiristorius lieka laidus. Ši vertė taip pat atitinka mažiausią galimą tiesioginės įtampos kritimo per įjungtą tiristorių vertę.

IV atšaka parodo nuotėkio srovės priklausomybę nuo atvirkštinės įtampos. Kai atvirkštinė įtampa viršija UBO vertę, prasideda staigus atvirkštinės srovės padidėjimas, susijęs su tiristoriaus gedimu. Gedimo pobūdis gali atitikti negrįžtamą procesą arba lavinos gedimo procesą, būdingą puslaidininkinio zenerio diodo veikimui.

Tiristoriai yra galingiausi elektroniniai jungikliai, galintys perjungti grandines, kurių įtampa iki 5 kV ir srovės iki 5 kA ne didesniu kaip 1 kHz dažniu.

Tiristorių konstrukcija parodyta fig. 2.

Ryžiai. 2. Tiristorių dėžučių konstrukcija: a) — planšetė; b) — smeigtukas

DC tiristorius

Įprastas tiristorius įjungiamas į valdymo grandinę įvedant srovės impulsą, kurio poliškumas katodo atžvilgiu yra teigiamas. Pereinamojo laikotarpio trukmę įjungimo metu labai įtakoja apkrovos pobūdis (aktyvus, indukcinis ir kt.), valdymo srovės impulso iG amplitudė ir didėjimo greitis, tiristoriaus puslaidininkinės struktūros temperatūra, taikoma įtampa ir apkrovos srovė .Grandinėje, kurioje yra tiristorius, neturėtų būti nepriimtinų tiesioginės įtampos duAC / dt greičio didėjimo verčių, kai tiristorius gali savaime įsijungti, nesant valdymo signalo iG ir jo greičio. pakilimas nuo srovės diA / dt. Tuo pačiu metu valdymo signalo nuolydis turi būti didelis.

Tarp tiristorių išjungimo būdų įprasta atskirti natūralų išjungimą (arba natūralų perjungimą) ir priverstinį (arba dirbtinį). Natūralus komutavimas įvyksta, kai tiristoriai veikia kintamose grandinėse tuo metu, kai srovė nukrenta iki nulio.

Priverstinio perjungimo bdai yra labai ivairūs.Pati tipiškiausi iš jų: iš anksto įkrauto kondensatoriaus C pajungimas jungikliu S (3 pav., a); LC grandinės sujungimas su iš anksto įkrautu kondensatoriumi CK (3 b pav.); pereinamojo proceso svyruojančio pobūdžio panaudojimas apkrovos grandinėje (3 pav., c).

Ryžiai. 3. Dirbtinio tiristorių perjungimo būdai: a) — įkrautu kondensatoriumi C; b) — LC grandinės svyruojančiu išlydžiu; c) — dėl svyruojančio apkrovos pobūdžio

Perjungiant pagal schemą pav. 3 ir prijungus atvirkštinio poliškumo perjungimo kondensatorių, pavyzdžiui, prie kito pagalbinio tiristoriaus, jis išsikraus į laidųjį pagrindinį tiristorių. Kadangi kondensatoriaus iškrovimo srovė nukreipta prieš tiristoriaus priekinę srovę, pastaroji sumažėja iki nulio ir tiristorius išsijungia.

Fig. 3, b, LC grandinės prijungimas sukelia svyruojančią perjungimo kondensatoriaus CK iškrovą.Tokiu atveju pradžioje iškrovos srovė teka per tiristorių priešinga jo priekinei srovei, kai jos tampa lygios, tiristorius išsijungia. Be to, LC grandinės srovė pereina iš tiristoriaus VS į diodą VD. Kilpos srovei tekant per diodą VD, tiristorius VS bus taikomas atvirkštinei įtampai, lygiai įtampos kritimui per atvirą diodą.

Fig. 3, tiristoriaus VS prijungimas prie sudėtingos RLC apkrovos sukels pereinamąjį veiksmą. Esant tam tikriems apkrovos parametrams, šis procesas gali turėti virpesių pobūdį, pasikeitus apkrovos srovės poliškumui. Tokiu atveju, išjungus tiristorių VS, įsijungia diodas VD, kuris pradeda vesti srovę priešingas poliškumas. Kartais šis perjungimo būdas vadinamas beveik natūraliu, nes jis susijęs su apkrovos srovės poliškumo pasikeitimu.

Kintamosios srovės tiristorius

Kai tiristorius yra prijungtas prie kintamosios srovės grandinės, galimos šios operacijos:

• elektros grandinės įjungimas ir išjungimas esant aktyviajai ir aktyviajai-reaktyviajai apkrovai;

• vidutinių ir efektyvių srovės verčių pokytis per apkrovą dėl to, kad galima reguliuoti valdymo signalo laiką.

Kadangi tiristoriaus jungiklis gali vesti elektros srovę tik viena kryptimi, tai naudojant kintamos srovės tiristorius, naudojamas jų lygiagretus jungimas (4 pav., a).

Ryžiai. 4. Antilygiagretus tiristorių sujungimas (a) ir srovės forma su aktyvia apkrova (b)

Vidutinis ir efektyvi srovė skirtis dėl laiko, per kurį tiristoriams VS1 ir VS2 perduodami atidarymo signalai, pasikeitimo, t.y. keičiant kampą ir (4 pav., b).Šio tiristorių VS1 ir VS2 kampo vertes reguliuojant vienu metu keičia valdymo sistema. Kampas vadinamas valdymo kampu arba tiristoriaus šaudymo kampu.

Galios elektroniniuose įrenginiuose plačiausiai naudojami faziniai (4 pav., a, b) ir tiristoriaus valdymas su impulsų pločiu (4 pav., c).

Ryžiai. 5. Apkrovos įtampos tipas: a) — tiristoriaus fazės valdymas; b) — tiristoriaus fazinis valdymas su priverstiniu komutavimu; c) — impulsų pločio tiristoriaus valdymas

Tiristoriaus valdymo faziniu būdu su priverstiniu komutavimu apkrovos srovės reguliavimas galimas tiek keičiant kampą ? ir kampą ?... Dirbtinis perjungimas atliekamas naudojant specialius mazgus arba naudojant pilnai valdomus (fiksuojamus) tiristorius.

Su impulso pločio valdymu (impulso pločio moduliacija — PWM) Totkr metu į tiristorius perduodamas valdymo signalas, jie yra atviri ir į apkrovą patenka įtampa Un. Tacr metu valdymo signalo nėra, o tiristoriai yra nelaidžios būsenos. Apkrovos srovės RMS vertė

kur In.m. — apkrovos srovė, kai Tcl = 0.

Srovės kreivė apkrovoje, valdant tiristorių fazę, yra ne sinusinė, o tai sukelia maitinimo tinklo įtampos formos iškraipymą ir vartotojų, jautrių aukšto dažnio trikdžiams, darbo sutrikimus - atsiranda vadinamasis. Elektromagnetinis nesuderinamumas.

Užrakinami tiristoriai

Tiristoriai yra galingiausi elektroniniai jungikliai, naudojami aukštos įtampos, didelės srovės (didelės srovės) grandinėms perjungti.Tačiau jie turi reikšmingą trūkumą - nepilną valdomumą, kuris pasireiškia tuo, kad norint juos išjungti, reikia sudaryti sąlygas sumažinti tiesioginę srovę iki nulio. Tai daugeliu atvejų riboja ir apsunkina tiristorių naudojimą.

Siekiant pašalinti šį trūkumą, buvo sukurti tiristoriai, kurie blokuojami signalu iš valdymo elektrodo G. Tokie tiristoriai vadinami uždaromaisiais tiristoriais (GTO) arba dvigubo veikimo.

Fiksuojantys tiristoriai (ZT) turi keturių sluoksnių p-p-p-p struktūrą, tačiau tuo pat metu turi nemažai reikšmingų dizaino ypatybių, kurios suteikia jiems visiškai kitokį nei tradicinių tiristorių - visiško valdymo savybę. Išsijungiančių tiristorių statinė I-V charakteristika į priekį yra identiška įprastų tiristorių I-V charakteristikai. Tačiau fiksuojamasis tiristorius dažniausiai negali blokuoti didelių atvirkštinės įtampos ir dažnai yra prijungtas prie antilygiagretaus diodo. Be to, fiksuojamiems tiristoriams būdingi dideli priekinės įtampos kritimai. Norint išjungti fiksuojamąjį tiristorių, reikia įjungti galingą neigiamos srovės impulsą (maždaug 1:5, palyginti su nuolatinės išjungimo srovės verte) uždarymo elektrodo grandinei, bet trumpai (10- 100 μs).

Užrakinami tiristoriai taip pat turi mažesnę ribinę įtampą ir srovę (apie 20-30%) nei įprasti tiristoriai.

Pagrindiniai tiristorių tipai

Išskyrus fiksuojamus tiristorius, buvo sukurtas platus įvairių tipų tiristorių asortimentas, besiskiriantis greičiu, valdymo procesais, srovių kryptimi laidžioje būsenoje ir kt.Tarp jų reikėtų atkreipti dėmesį į šiuos tipus:

• tiristoriaus diodas, kuris prilygsta tiristoriui su antilygiagrečiai sujungtu diodu (6.12 pav., a);

• diodinis tiristorius (dinistorius), persijungiantis į laidžią būseną, kai viršijamas tam tikras įtampos lygis, taikomas tarp A ir C (6 pav., b);

• fiksuojantis tiristorius (6.12 pav., c);

• simetrinis tiristorius arba triakas, kuris prilygsta dviem antilygiagrečiai sujungtiems tiristoriams (6.12 pav., d);

• didelės spartos inverterio tiristorius (išjungimo laikas 5-50 μs);

• lauko tiristorius, pavyzdžiui, pagrįstas MOS tranzistoriaus ir tiristoriaus deriniu;

• optinis tiristorius, valdomas šviesos srautu.

Ryžiai. 6. Tradicinis tiristorių grafinis žymėjimas: a) — tiristorių diodas; b) — diodinis tiristorius (dinistorius); c) — fiksuojantis tiristorius; d) — triak

Tiristoriaus apsauga

Tiristoriai yra svarbūs įtaisai, skirti tiesioginės srovės didėjimo greičiui diA / dt ir įtampos kritimui duAC / dt. Tiristoriams, kaip ir diodams, būdingas atvirkštinės atkūrimo srovės reiškinys, kurio staigus kritimas iki nulio padidina viršįtampių su didele duAC / dt reikšme galimybę. Tokie viršįtampiai atsiranda dėl staigaus srovės nutrūkimo indukciniuose grandinės elementuose, įskaitant mažas induktyvumas įrengimas. Todėl tiristorių apsaugai paprastai naudojamos įvairios CFTCP schemos, kurios dinaminiais režimais užtikrina apsaugą nuo nepriimtinų diA / dt ir duAC / dt verčių.

Daugeliu atvejų į įtraukto tiristoriaus grandinę įtrauktų įtampos šaltinių vidinė indukcinė varža yra pakankama, kad nebūtų įvestas papildomas induktyvumas LS.Todėl praktikoje dažnai prireikia CFT, kurie sumažina išjungimo viršįtampių lygį ir greitį (7 pav.).

Ryžiai. 7. Tipinė tiristoriaus apsaugos grandinė

Tam dažniausiai naudojamos lygiagrečiai su tiristoriumi sujungtos RC grandinės. Yra įvairių RC grandinių grandinių modifikacijų ir jų parametrų skaičiavimo metodų skirtingoms tiristorių naudojimo sąlygoms.

Užrakinamiems tiristoriams grandinės naudojamos perjungimo keliui sudaryti, panašiai kaip CFTT tranzistoriai.