Тиристоры принцип работы схема включения. Современные силовые запираемые тиристоры

Пятница, 20 июля 2012 10:00:00

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

Рис. 1. Обычный тиристор: a) - условно-графическое обозначение; б) - вольтамперная характеристика.

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.

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

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).

Рис. 3. Способы искусственной коммутации тиристоров: а) - посредством заряженного конденсатора С; б) - посредством колебательного разряда LC-контура; в) - за счёт колебательного характера нагрузки

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).

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

Среднее идействующее 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).

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 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.

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

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).

Рис. 7. Типовая схема защиты тиристора

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.

В различных электронных устройствах в цепях переменного тока в качестве силовых ключей широко применяют тринисторы и симисторы. Данная статья призвана помочь в выборе схемы управления подобными приборами.

Самый простой способ управления тиристорами - это подача на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (рис. 1). Ключ SA1 на рис. 1 и на последующих рисунках - это любой элемент, обеспечивающий замыкание цепи: транзистор, выходной каскад микросхемы, оптрон и др. Этот способ прост и удобен, но обладает существенным недостатком - требуется довольно большая мощность управляющего сигнала. В табл. 1 приведены наиболее важные параметры для обеспечения надежного управления некоторыми самыми распространенными тиристорами (три первых позиции занимают тринисторы, остальные - симисторы). При комнатной температуре для гарантированного включения перечисленных тиристоров требуется ток управляющего электрода Iу вкл равный 70–160 мА. Следовательно, при напряжении питания, типовом для собранных на микросхемах узлов управления (10–15 В), требуется постоянная мощность 0,7–2,4 Вт.

Отметим, что полярность управляющего напряжения для тринисторов положительная относительно катода, а для симисторов - или отрицательная для обоих полупериодов, или совпадающая с полярностью напряжения на аноде. Также можно добавить, что часто в соответствии с указаниями по применению требуется шунтирование управляющего перехода тринисторов сопротивлением 51 Ом (R2 на рис. 1) и не требуется никакого шунтирования для симисторов.

Реальные величины тока управляющего электрода, достаточного для включения тиристора, обычно меньше цифр, приведенных в табл. 1, поэтому нередко идут на его снижение относительно гарантированных значений: для тринисторов - до 7–40 мА, для симисторов - до 50–60 мА. Такое снижение часто приводит к ненадежной работе устройств, и необходимости предварительной проверки или же подбора тиристоров. Уменьшение управляющего тока также может приводить к возникновению помех радиоприему, поскольку включение тиристоров при малых токах управляющего электрода происходит при относительно большом напряжении на аноде - несколько десятков вольт, что приводит к броскам тока через нагрузку и, следовательно, к мощным помехам.

Недостатком управления тиристорами постоянным током является гальваническая связь источника управляющего сигнала и сети. Если в схеме с симистором (рис. 1, б) при соответствующем включении сетевых проводов источник управляющего сигнала можно соединить с нулевым проводом, то при использовании тринистора (рис 1, а) такая возможность возникает лишь при исключении выпрямительного моста VD1–VD4. Последнее приводит к однополупериодной подаче напряжения на нагрузку и двукратному уменьшению поступаемой в нее мощности.

В настоящее время в связи с большой потребляемой мощностью запуск тиристоров постоянным током при бестрансформаторном питании пусковых узлов (с гасящим резистором или конденсатором) практически не используется.

Одним из вариантов снижения потребляемой узлом управления мощности является использование вместо постоянного тока непрерывной последовательности импульсов с относительно большой скважностью. Поскольку время включения типовых тринисторов составляет 10 мкс и менее, можно подавать на их управляющий электрод импульсы такой же длительности со скважностью, например, 5–10–20, что соответствует частоте 20–10–5 кГц. В этом случае потребляемая мощность также уменьшается в 5–10–20 раз соответственно.

Однако при таком способе управления выявляются некоторые новые недостатки. Во-первых, теперь тиристор включается не в самом начале полупериода сетевого напряжения, а в произвольные моменты времени, отстоящие от начала полупериода на время, не превышающее периода запускающих импульсов, т. е. 50–100–200 мкс.

За это время напряжение сети может возрасти примерно до 5–10–20 В. Это приводит к возникновению помех радиоприему и к некоторому уменьшению выходного напряжения, впрочем, малозаметному.

Существует еще одна проблема. Если при включении в начале полупериода во время действия запускающего импульса ток через тиристор не достигнет тока удержания (Iуд, табл. 1), тиристор после окончания импульса выключится. Следующий импульс вновь включит тиристор, и он не выключится лишь в том случае, если к моменту окончания импульса ток через него будет больше тока удержания. Таким образом, ток через нагрузку сначала будет иметь вид нескольких коротких импульсов и лишь потом - синусоидальную форму.

Если же нагрузка имеет активноиндуктивный характер (например, электродвигатель), ток через нее за время действия короткого включающего импульса может не успеть достичь величины тока удержания, даже когда мгновенное напряжение в сети максимально. Тиристор после окончания каждого импульса будет выключаться. Этот недостаток ограничивает снизу длительность запускающих импульсов и может свести на нет уменьшение потребляемой мощности.

Схема включения тиристора и симистора с импульсным запуском

Применение импульсного запуска облегчает гальваническую развязку между узлом управления и сетью, ибо ее может обеспечить даже небольшой трансформатор с коэффициентом трансформации, близким к 1:1. Его обычно наматывают на ферритовом кольце диаметром 16–20 мм с тщательно выполненной изоляцией между обмотками. Следует предостеречь от применения малогабаритных импульсных трансформаторов промышленного изготовления. Как правило, они имеют низкое напряжение изоляции (около 50–100 В) и могут служить причиной поражения электрическим током, если при использовании прибора будет считаться, что цепь управления изолирована от сети.

Схема включения тиристора и симистора с импульсным запуском.

Снижение требуемой при импульсном управлении мощности и возможность введения гальванической развязки позволяют применить в узлах управления тиристорами бестрансформаторное питание.

Включение тиристора через ключ и ограничительный резистор

Третий широко распространенный способ включения тиристоров - подача на управляющий электрод сигнала с его анода через ключ и ограничительный резистор (рис. 2). В таком узле ток через ключ протекает в течение нескольких микросекунд, пока включается тиристор, если напряжение на аноде достаточно велико. В качестве ключей используют малошумящие электромагнитные реле, высоковольтные биполярные транзисторы, фотодинисторы или фотосимисторы (схемы на рис. 2 соответственно). Способ включения тиристора прост и удобен, не критичен к наличию у нагрузки индуктивной составляющей, но имеет недостаток, на который нередко не обращают внимания.

Недостаток связан с противоречивостью требований к ограничительному резистору R1. С одной стороны, его сопротивление должно быть как можно меньше, чтобы включение тиристора происходило как можно ближе к началу полупериода сетевого напряжения. С другой стороны, при первом открывании ключа, если оно не синхронизировано с моментом прохождения сетевого напряжения через нуль, напряжение на резисторе R1 может достигать амплитудного напряжения сети, т. е. составлять 310–350 В. Импульс тока через этот резистор не должен превышать допустимых значений для ключа и управляющего перехода тиристора. В табл. 2 приведены некоторые параметры наиболее часто применяемых отечественных фототиристоров (приборы серий АОУ103/3ОУ103 и АОУ115 - фотодинисторы, АОУ - фотосимисторы). Исходя из значений максимально допустимого импульсного тока управления (табл. 1) и максимального импульсного тока через ключ (табл. 2), можно для каждой конкретной пары приборов определить минимально допустимое сопротивление ограничительного резистора. Например, для пары КУ208Г (Iу, вкл макс = 1 А) и АОУ160А (Iмакс, имп = 2 А) можно выбрать R1 = 330 Ом. Если ток управляющего электрода, при котором происходит включение симистора, соответствует его максимальному значению 160 мА, симистор будет включаться при напряжении на аноде равном 0,16·330 = 53 В.

Как и в случае с подачей управляющих импульсов относительно большой скважности, это приводит к возникновению помех и к некоторому уменьшению выходного напряжения. Поскольку реальная чувствительность тиристоров по управляющему электроду обычно лучше, задержка открывания тиристора относительно начала полупериода меньше рассчитанной выше предельной величины.

Сопротивление ограничивающего резистора R1 может быть уменьшено на величину сопротивления нагрузки, поскольку в момент включения они включены последовательно.

Более того, если нагрузка имеет гарантированно индуктивно-резистивный характер, можно еще более уменьшить сопротивление указанного резистора. Однако если нагрузкой являются лампы накаливания, надо помнить, что их холодное сопротивление примерно в десять раз меньше рабочего.

Следует также иметь ввиду, что включающий ток симисторов имеет разную величину для положительной и отрицательной полуволн сетевого напряжения. Поэтому в выходном напряжении мо жет появиться небольшая постоянная составляющая.

Из фотодинисторов серии АОУ103/3ОУ103 для управления тиристорами в сети 220 В по максимально допустимому напряжению подходят только 3ОУ103Г, однако неоднократно проверено, что и АОУ103Б и АОУ103В годятся для работы в этом режиме.

Различие между приборами с индексами Б и В заключается в том, что подача напряжения обратной полярности на АОУ103Б не допускается. Аналогично и различие между АОУ115Г и АОУ115Д: приборы с индексом Д допускают подачу обратного напряжения с индексом Г - нет.

Существенного сокращения потребляемой цепями управления мощности можно добиться, если включать ток управляющего электрода в момент включения тиристора. Два варианта схем узлов управления, обеспечивающих такой режим, приведены на рис. 3.

Включение тринистора в схеме на рис. 3, а происходит в момент замыкания контактов ключа SA1. После включения тринистора элемент DD1.1 выключается, и ток управляющего электрода прекращается, что существенно экономит потребление по цепи управления. Если напряжение на тринисторе в момент включения SA1 будет меньше порога переключения DD1.1, тринистор не включится, пока напряжение на нем не достигнет этого порога, т. е. не станет несколько более половины напряжения питания микросхемы. Регулировать пороговое напряжение можно подбором сопротивления нижнего плеча делителя резистора R6. Резистор R2 обеспечивает низкий логический уровень на входе 1 элемента DD1.1 при закрывании тринистора VS1 и диодного моста VD2.

Для аналогичного включения симистора необходим узел двуполярного управления элементом совпадения DD1.1 (рис. 3, б). Этот узел собран на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R2–R4. Транзистор VT1 включен по схеме с общей базой, и напряжение на его коллекторе становится по модулю меньше порога переключения элемента DD1.1, когда напряжение на аноде симистора VS1 положительно относительно катода и превышает его примерно на 7 В. Аналогично транзистор VT2 входит в насыщение, когда отрица тельное напряжение на аноде становится по модулю больше –6 В.

Такой узел выделения момента прохождения напряжения через нуль широко применяется в различных разработках. При всей кажущейся привлекательности узлы, выполненные по схемам, приведенным на рис. 3, и им аналогичные, обладают существенным недостатком: если по какойлибо причине тиристор не включится, ток через его управляющий электрод будет идти неопределенно долго. Поэтому необходимо предпринимать специальные меры по ограничению длительности импульса или рассчитывать источник питания на полный ток, т. е. на такую же мощность, как и для узлов по схеме на рис. 1.

Наиболее экономичные схемы управления используют формирование одиночного включающего импульса вблизи перехода сетевого напряжения через нуль. Две несложных схемы таких формирователей приведены на рис. 4, а временные диаграммы их работы - на рис. 5 (а и б соответственно). Недостатком, впрочем совершенно несущественным в большинстве случаев, является то, что первое включение происходит не в самом начале полупериода сетевого напряжения, а в самом конце того, во время которого был замкнут ключ SA1.

Двойная длительность включающего импульса 2Т0 определяется порогом переключения элемента ИЛИ НЕ с учетом делителя R2R3 (рис. 4, а) или порогом формирователя на VT1, VT2 (рис. 4, б), и рассчитывается по формуле

13.jpg (613 bytes)

Скорость изменения сетевого напряжения при переходе через нуль

14.jpg (926 bytes)

и при Uпор = 50 В двойная длительность составит 2Т0 = 1 мс. Скважность импульсов равна 10, и средний потребляемый ток в 10 раз меньше амплитудного значения, необходимого для надежного включения тиристора.

Минимальная длительность включающего импульса определяется тем, что он должен оканчиваться не ранее, чем ток через нагрузки достигнет тока удержания тиристора. Например, если нагрузка имеет мощность 200 Вт (Rн = 2202/200 = 242 Ом), а ток удержания симистора КУ208 - 150 мА, то этот ток достигается при мгновенном напряжении в сети 242·0, 15 = 36 В, т. е. при скорости нарастания 100 В/мс окончание импульса запуска должно быть не ранее, чем через 360 мкс от момента перехода напряжения через нуль. Снизить потребляемую мощность еще примерно в десять раз можно за счет подачи на третий вход элементов ИЛИ - НЕ схем на рис. 4 непрерывной последовательности импульсов (показано штриховыми линиями), как это было упомянуто в начале статьи применительно к узлам по схемам на рис. 1. При этом проявляются те же недостатки, что и при непрерывной подаче импульсов на управляющий электрод.

Для уменьшения потерь мощности можно сформированный в узлах по схемам на рис. 4 импульс, продифференцировать его, и продифференцированный задний фронт использовать как запускающий для тиристора (рис. 6). Параметры этого запускающего импульса Ти следует выбирать так. Он должен начинаться как можно раньше после прохождения сетевого напряжения через нуль, чтобы бросок тока через нагрузку в момент включения в начале каждого полупериода был бы минимальным и минимальными были бы помехи и потери мощности. Здесь ширина импульса, формируемого в момент прохождения напряжения сети через нуль, ограничена снизу только временем перезаряда дифференцирующей цепи C1R7 и может быть достаточно малой, но конечной. Оканчиваться импульс должен, как и для предыдущего варианта, не ранее, чем когда ток через нагрузку достигнет тока удержания тиристора.

При работе узлов по схемам на рис. 7 и 8 подача на управляющий электрод импульса включения спрямляет выходную характеристику тиристора в момент прохождения сетевого напряжения через нуль и при правильно выбранной длительности импульса удерживает тиристор во включенном состоянии до момента достижения тока удержания даже при наличии небольшой индуктивной составляющей нагрузки. Источник питания таких узлов может быть собран по бестрансформаторной схеме с гасящим резистором или, что еще лучше, конденсатором. Помех радиоприему такое включение тиристоров не создает и может быть рекомендовано для всех случаев управления нагрузками с малой индуктивной составляющей.

Если же нагрузка имеет выраженный индуктивный характер, можно рекомендовать схемы управления, приведенные на рис. 2. Для уменьшения помех радиоприему необходимо включение в сетевые провода помехоподавляющих фильтров, а если провода от регулятора до нагрузки имеют заметную длину, то и в эти провода тоже.

Выше были рассмотрены варианты управления тиристорами при их использовании в качестве ключей. При фазоимпульсном управлении мощностью нагрузок можно использовать описанные выше схемотехнические решения по формированию импульсов в моменты перехода сетевого напряжения через нуль для запуска времязадающего узла запуска тиристора. Отметим, что такой узел должен давать стабильную задержку включения тиристора, не зависящую от напряжения сети и температуры, а длительность формируемого импульса должна обеспечить достижение тока удержания независимо от момента включения нагрузки в пределах полупериода.

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к области электротехники, а именно используется в аналоговых электронных схемах: электронном реле, следящих устройствах, генераторных схемах; в источниках питания постоянного тока, и предназначено использование тиристора (симистора) в переключающих устройствах для управления транзисторным ключом в динамичном режиме сравнимым логическим уровнем 1 и 0.

Целью является расширение функциональных возможностей тиристора в источнике постоянного тока, который направлен именно управлять транзисторным ключом с мощным выходом в динамичном режиме для коммутирования любой нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что способ управления транзисторным ключом на тиристоре (симисторе) заключается в том, что управляющий электрод транзисторного ключа любой проводимости подключают положительным смещением к тиристорному переключателю между анодом тиристора и катодом диода, коллектором или эмиттером транзистора, таким образом закрывают цепь управляющего электрода ключа транзистора от связи с минусом, в том числе и через управляющий электрод тиристора, а нагрузку подключают в цепь коллектора или эмиттера ключа транзистора между источником питания плюс или минус, через тиристорный переключатель протекает переменно изменяющийся рабочий ток от цепи питающего входа, тиристор открывается током больше удерживающего и переводит базу ключа транзистора в отрицательное смещение, а отключается током меньше удерживающего и переводит базу ключа транзистора в положительное смещение, причем ток через тиристор раскладывают на два плеча и устанавливают следующую оптимальную пропорцию тока удерживания, переменно изменяющий ток через цепь тиристорного переключателя 10%...20%, при менее котором тиристор отключается, остальной установочный ток через резистор положительного смещения базы ключа транзистора.

Установочный ток через тиристор раскладывают дополнительно через третье плечо задатчика тока, который подключают параллельно резистору положительного смещения ключа транзистора.

Рабочий ток через тиристорный переключатель устанавливают подбором токоограничивающего резистора, который вводят между общей точкой анода тиристора и катода диода, коллектором или эмиттером транзистора тиристорного переключателя.

Рабочим током тиристорного переключателя управляют транзистором любой проводимости, который вводят в цепь питающего входа тиристорного переключателя.

Принцип работы способа управления поясняется чертежами фиг.1-3.

Схема управления (фиг.1) содержит источник питания, транзисторный ключ 7, база которого через резистор 5 и плюс источника питания через резистор 4 подключена между анодом тиристора 8 и катодом диода 9 тиристорного переключателя 2. К тиристорному переключателю 2 подключен вход питающей цепи 6. Управляющий электрод тиристора 8 через резистор 3 подключен в цепь питающего входа 6, а через резистор 1 подключен с катодом тиристора 8 к минусу. Коллектор ключа транзистора 7 подключен к плюсу, а эмиттер через нагрузку Rн подключен к минусу.

Транзисторный ключ 7 может быть любой проводимости, а нагрузка Rн подключается к цепи эмиттера или коллектора между плюсом или минусом источника питания. Диод 9 закрывает базу ключа транзистора от связи с минусом, в том числе и через цепь управляющего электрода тиристора 8. Такую же функцию может выполнить переход коллектор-эмиттер или эмиттер-коллектор транзистора.

Управляющий электрод тиристора 8 может подключаться к питающему входу 6 через резистор, или конденсатор, или диод, или стабилитрон, или комбинированно. Резистор 5 с транзистором n-p-n проводимостью в некоторых случаях может не устанавливаться, который в основном ограничивает импульсы высокого напряжения при переключениях.

Схема работает следующим образом: с включением источника питания при закрытом состоянии тиристора 8 положительное смещение на базе закроет транзисторный ключ 7 с p-n-p проводимостью, а с n-p-n проводимостью откроет. При увеличении напряжения в цепи питающего входа 6, при токе больше удерживающего тиристор 8 откроется и перекинет в отрицательное смещение базу транзисторного ключа 7. Транзисторный ключ 7 с p-n-p проводимостью откроется и включит нагрузку Rн, а с n-p-n проводимостью закроется и отключит нагрузку Rн.

Для эффективной работы схемы подбирают оптимальную пропорцию распределения минимального тока удерживания тиристора 8. Ток тиристора 8 устанавливают подбором сопротивления резистора 4 из расчета около 80...90% от тока удерживания и 10...20% через цепь питающего входа 6 тиристорного переключателя 2, меньше при котором тиристор 8 будет закрываться. Для примера, испытания проводились в цепи источника питания 12 В на симисторе ТС10-6 и на тиристорах КУ101Е, КУ101Г, удерживающий ток у которых составлял 2 мА...5 мА, при этом величина тока порога отключения тиристора 8 была всегда постоянна. Вновь тиристор 8 открывался при повышении напряжения на 0,7...0,9 В на питающем входе 6, который был подключен к тиристорному переключателю 2 через резистор 3 к. При токе удерживания тиристора более 7 мА установку тока удерживания тиристора через вход питающей цепи 6 производят по способу, изложенному в чертеже фиг.2.

Фиг.2 отличается от фиг.1 тем, что цепь базы смещения ключа транзистора 7 подключена к общей точке анода тиристора 8 через введенный диод 11, а катод диода 11 подключен к плюсу через задатчик тока 10. Между общей точкой анода тиристора 8 и диода 9 введен токоограничивающий резистор 12. В этой схеме рассматриваются два способа управления: через задатчик тока 10 и через введенный резистор 12.

Диод 11 запирает от связи задатчик тока 10 с базой ключа транзистора 7 и улучшает динамику коммутации. Задатчик тока 10 является балластным элементом, может содержать построечный и токоограничивающий резистор. Им устанавливают минимальный ток удерживания тиристора 8 по цепи питающего входа 6.

Токоограничивающий резистор 12 может дополняться построечным резистором. Данным способом задают момент включения и отключения тиристора 8 в зависимости от величины напряжения цепи питающего входа 6.

Фиг.3 отличается от фиг.1 тем, что питающий вход 6 подключен к тиристорному переключателю 2 через введенный транзистор 14 и токоограничивающий резистор 13, а к базе подключен управляющий вход. Транзистор 14 может быть любой проводимости, который управляет рабочим током тиристора 8 или переводит тиристор 8 в открытое и закрытое состояние, который переключает транзисторный ключ 7.

К примеру, при подключении к управляющему входу генератора пилообразных импульсов на выходе ключа транзистора 7 будут сигналы прямоугольных импульсов, а на примере чертежа фиг.9 и фиг.10 показана работа простого электронного реле.

Устройство реализации способа, содержащее источник питания, транзисторный ключ n-p-n проводимости, база которого через защитный резистор и плюс источника питания через резистор смещения подключены между анодом тиристора и катодом диода, а управляющий электрод тиристора через резистор, или резистор, последовательно соединенный стабилитрон или диод подключен к аноду диода или к эмиттеру транзистора, через другой резистор подключен к минусу с катодом тиристора, а коллектор ключа транзистора подключен к плюсу источника питания или подключен через нагрузочный резистор, а общая точка эмиттера через промежуточный резистор подключена к аноду диода тиристорного переключателя, а вторая параллельная цепь эмиттера - к выходу генератора, причем эмиттер и точка смещения базы транзистора подключены к минусу через конденсатор, а база транзистора подключена с эмиттером через защитный резистор, а с минусом через защитный конденсатор.

Общая точка промежуточного резистора и конденсатора соединена с эмиттером транзистора через введенный диод.

Параллельно ключу транзистора подключен второй составной транзисторный ключ p-n-p проводимости, эмиттер выходного транзистора подключен с плюсом источника питания, а коллекторы обоих транзисторов подключены к минусу через нагрузку, а вход базы составного транзистора подключен через один резистор к плюсу источника питания, а через второй резистор к точке смещения базы ключа транзистора.

К выходу генератора подключен через токоограничивающий резистор анод диода второго тиристорного переключателя, а между катодом диода и анодом тиристора подключен управляющий электрод симистора, а фаза L через нагрузку и симисторный ключ подключена к общему проводу рабочего нуля N и корпуса.

Параллельно аноду и катоду тиристора подключен блокировочный транзистор любой проводимости, а база подключена к управляющему входу.

Между коллектором транзистора и источником питания плюс или нагрузочным резистором введен светодиод оптопары, а параллельно светодиоду подключен защитный стабилитрон или резистор, а коллектор транзистора оптопары подключен к плюсу, а эмиттер подключен через резистор к базе первого транзистора усилительного каскада, причем база которого подключена к минусу через защитный конденсатор, а к эмиттеру через защитный резистор, а коллектор подключен к плюсу источника питания через резистор или подключен к коллектору второго транзистора усилительного каскада, который подключен к плюсу источника питания через нагрузку, а база подключена к эмиттеру первого транзистора и подключена к минусу и эмиттеру через резистор или последовательно соединенный диод.

Устройство генератора (фиг.4) содержит источник питания, транзисторный ключ 7, база которого через резистор 5 и плюс источника питания через резистор 4 подключены между анодом тиристора 8 и катодом диода 9. Управляющий электрод тиристора 8 через резистор 3 подключен к аноду диода 9, а через резистор 1 подключен к минусу с катодом тиристора 8. Коллектор транзистора 7 подключен к плюсу источника питания. Общая точка эмиттера транзистора 7 через диод 19 и промежуточный резистор 18 подключена к диоду 9 тиристорного переключателя 2, а общая точка диода 19 и промежуточного резистора 18 подключена с минусом через конденсатор 20, а к эмиттеру подключен выход генератора. К точке смещения базы транзистора 7 подключен конденсатор 15, а база с минусом подключена через защитный конденсатор 16, а с эмиттером через защитный резистор 17.

Устройство работает следующим образом: с включением источника питания положительное смещение на базе откроет транзисторный ключ 7. Плюс эмиттера через диод 19 и промежуточный резистор 18 запитает тиристорный переключатель 2. Тиристор 8 откроется при токе, большем, чем ток удерживания, и переведет базу транзистора 7 в отрицательное смещение, ключ закроется. Ток через тиристор 8 станет меньше удерживающего, и тиристор 8 закроется. Вновь на базе транзистора 7 окажется положительное смещение, и цикл будет повторяться. Конденсатор 15 растягивает верхний (положительный) фронт открытого состояния транзистора 7, а конденсатор 20 растягивает нижний фронт закрытого состояния транзистора 7, и дополнительно подбором номинала промежуточного резистора 18 изменяют частоту переключений генератора. Промежуточный резистор 18 содержит один постоянный, или один построечный, или построечный дополняется последовательно и параллельно подключенными резисторами. Причем построечный резистор может быть в виде регулятора. Диод 19 запирает обратный разряд конденсатора в цепь выхода генератора. Управляющий электрод тиристора 8 подключают дополнительно с резистором 3 к аноду диода 9 или к эмиттеру транзистора 7 через стабилитрон или диод в случаях для установки порога открытия тиристора или для компенсации разницы падения напряжения перехода на диоде 9. Управляющему входу и питающему входу тиристора 8 при необходимости дополнительно подключают конденсатор для импульсного открытия тиристора.

Фиг.5 - устройство двухтактного генератора, отличающееся от фиг.4 тем, что коллектор ключа транзистора 7 подключен к источнику питания через нагрузочный резистор 24, а промежуточный резистор 18 подключен в виде построечного резистора, а к выходу генератора подключен контрольный светодиод 23 через резистор 22. Параллельно ключу транзистора 7 подключен составной транзисторный ключ на транзисторах 26 и 27 p-n-p проводимости. Вход базы составного транзисторного ключа 26 подключен через резистор 25 к плюсу источника питания, а через резистор 21 - к общей точке смещения базы ключа транзистора 7. Эмиттер выходного транзистора 27 подключен к плюсу, а коллекторы обоих транзисторов 26 и 27 подключены к минусу, через нагрузку - лампу 28.

Нагрузочный резистор 24 позволяет расширять диапазон регулирования сопротивления промежуточного резистора 18, с уменьшением которого улучшается динамика открывания ключа транзистора 7, но при этом ухудшается его закрывание.

Составной транзисторный ключ p-n-p проводимости открывается и закрывается синхронно с тиристором 8, а транзисторный ключ 7 работает асинхронно.

Испытания проводились на лампе накаливания до 80 Вт.

Коммутирование лампы 28 производилось низкой частотой и регулирование накала - большой частотой подбором конденсаторов 15 и 20 и регулятора промежуточного резистора 18. Схема работает при токе удерживания тиристора 8 в пределах 3-15 мА, при этом паспорта транзисторов могут отличаться, в том числе в других схемах.

Выделенные элементы в рамке под цифрой 29 - тиристорный переключатель 2, транзисторный ключ 7 и составной транзисторный ключ 26 и 27 - можно назвать тиристорно-транзисторный коммутатор или тиристорно-транзисторный ключ. Пример реализации в интегральном исполнении.

Фиг.7 и фиг.8 - схемы устройства высоковольтного преобразователя, отличающиеся тем, что в генераторе параллельно аноду и катоду тиристора 8 подключен транзистор 38 p-n-p проводимости, а к базе подключен управляющий вход 37, которая блокирует и включает генератор, или управляющий вход может работать, как задающий генератор. Причем транзистор 38 может быть любой проводимости.

Генератор схемы фиг.8 отличается от фиг.7 тем, что между нагрузочным резистором 24 и коллектором транзистора 7 введен светодиод 56 оптопары, а параллельно светодиоду 56 подключен стабилитрон 55. Коллектор транзистора 57 оптопары подключен к плюсу, а эмиттер подключен (фиг.7 - выход генератора подключен) через резистор 42 к базе первого транзистора 49 усилительного каскада. Причем база первого транзистора 49 подключена к минусу через защитный конденсатор 44, а к эмиттеру через защитный резистор 45. Коллектор первого транзистора 49 подключен через резистор 48 к плюсу между защитным диодом 47 и резистором 46 или подключается к коллектору второго транзистора 53, который подключен через защитный диод 52, нагрузка 54 (катушка зажигания) - к плюсу источника питания. Эмиттер первого транзистора 49 подключен к базе второго транзистора 53, база которого через резистор 50 и диод 51 подключена вместе с эмиттером к минусу. Плюс источника питания через защитный диод 47 и защитный резистор 46 подключен в схему питания генератора, а к плюсу и минусу генератора подключены параллельно конденсатор 39 и стабилитрон 43.

В качестве нагрузочного элемента и контроля к выходу генератора подключают контрольный светодиод 41 через резистор 40 или только резистор, который особенно необходим при недостаточном токе, через светодиод 56 оптопары для открытия транзисторного ключа 57, а при большом токе параллельно светодиоду 56 оптопары устанавливают шунтирующий резистор. С оптопарой типа РС817 (SHARP) схема может работать без дополнительного нагрузочного элемента.

Сигнал низкого уровня на управляющем входе 37 открывает транзистор 38, генератор при этом отключается. Положительный уровень на входе 37 закрывает транзистор 38, и генератор включится, который запустит выходной каскад усилителя.

Испытания проводились на катушке зажигания автомобиля Б117 автотрансформаторного типа, устойчивая пробойная дуга достигала максимально до 40 мм по схеме фиг.7, а по схеме фиг.8 до 30 мм. Снижение напряжения на выходе катушки производят подбором номиналов конденсатора 44, резистора 45, или дополнительно подключаются параллельно коллектору и эмиттеру выходного транзистора 53 конденсатор и стабилитрон.

Устройство может служить как многоимпульсный преобразователь для бесконтактных устройств зажигания на автомобиле и в сварочном производстве для работы оссилятора, или могут подключаться другие нагрузки, к примеру коммутироваться лампы накаливания или подключаться звуковая сирена и т.д. Причем схема может работать без защитных элементов 43, 46, 47 и 52.

Фиг.9 - устройство электронного реле. База транзистора 14 подключена к времязадающей цепочке, коллектор подключен к плюсу источника питания, а эмиттер подключен к питающему входу цепи тиристора 8 через токоограничивающий резистор 13 и диод 9. Резистор R4 - регулятор выдержки времени.

Устройство работает следующим образом

включаем источник питания, транзисторный ключ 7 закрыт. При кратковременном нажатии кнопки SB1 зарядится конденсатор С1, откроется транзистор 14, который откроет тиристор 8, а тиристор переключит транзисторный ключ 7, катушка реле К1 включится. По мере разряда конденсатора С1 происходит снижение напряжения на нем. Это приводит к снижению напряжения на эмиттере транзистора 14, и при токе, меньше удерживающего, тиристор 8 закроется. Положительное смещение на базе закроет транзисторный ключ 7, и реле К1 отключится. Устройство при данных номиналах элементов и при удерживающем токе тиристора 8 - в пределах 3-5 мА. Время выдержки может доходить до 30 минут, а погрешность при стабильном источнике питания - в пределах 2-3%.

Фиг.10 - устройство электронного реле на симисторе оптопары. Принцип работы аналогичен. Симистор оптопары типа МОС3063 или МОС3082, удерживающий ток у них в пределах 0,4-0,6 мА. По этой причине подключен составной транзисторный ключ (аналогично составному ключу на чертеже фиг.5) с большим входным сопротивлением. Управляющий вход светодиода оптопары подключен через стабилитрон и резистор, параллельно которым подключен вспомогательный конденсатор для импульсного открытия симистора. Стабилитрон служит для отсекания тока через светодиод оптопары при снижении напряжения на эмиттере транзистора 14. Этим добиваются увеличения времени выдержки.

При испытаниях время выдержки составило около 40 минут, а погрешность - в пределах 2%. Показатели значительно выше, чем на тиристоре КУ101.

Предлагается способ определения минимального тока удерживания тиристора любой структуры. Между источником питания плюс и минус подключают тиристорный ключ через токоограничивающий резистор и последовательно соединенный миллиамперметр или другой регистрирующий прибор. Причем параллельно источнику питания подключают электролитический конденсатор большой емкости. К управляющему входу через токоограничивающий резистор или конденсатор кратковременно подают импульс положительного напряжения. Фиксируют ток через тиристор по миллиамперметру, затем отключают источник питания. По мере разряда конденсатора будет снижаться ток через тиристор, и по моменту резкого отклонения стрелки миллиамперметра определяют минимальный ток удерживания.

Использование способа управления транзисторным ключом найдет применение в следующих электрических схемах устройств: электронное реле времени, к примеру коммутация катушек реле; следящих схемах, к примеру аварийные переключатели на блоках питания; генераторных схемах, к примеру высокочастотные сирены в охранных устройствах, высоковольтные преобразователи для катушек зажигания.

Составную часть устройства: тиристорный переключатель и транзисторный ключ - можно назвать тиристорно-транзисторный коммутатор или тиристорно-транзисторный ключ, который может реализоваться как единая интегральная схема. В этом случае понадобится регламентировать паспортные данные на минимальные токи удерживания.

На изобретение выдан патент Российской Федерации RU2343622
Автор(ы): Алексеев Альберт Герасимович, Алексеев Виталий Альбертович

Для коммутации силовых цепей переменного тока используются преиму­щественно тиристоры. Они способны пропускать большие токи при малом падении напряжения, включаются сравнительно просто подачей на управляющий электрод маломощного импульса управления. При этом их основной недоста­ток – трудность выключения – в цепях переменного тока не играет роли, так как переменный ток обязательно два раза за период проходит через нуль, что обеспечивает автоматическое выключение тиристора.

Схема однофазного тиристорного ключа приведена на рис. 8.7. Им­пульсы управления формируются из анодных напряжений тиристоров.

Если на аноде тиристора Д1 положительная полуволна напряжения, то при замыкании ключа К через диод ДЗ и резистор К пройдет импульс тока управления тиристором Д1. В результате тиристор Д1 включится, анодное напряжение упадет почти до нуля, сигнал управления исчезнет, но тири­стор останется в проводящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток не пройдет через нуль. В другой полупериод, при противоположной полярности напряжения сети, аналогично включается тиристор Д2. Пока ключ К будет замкнут, тиристоры будут автома­тически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источника к нагрузке.

Такие тиристорные ключи являются основой однофазных и трехфазных коммутирующих устройств.

В качестве примера рассмотрим тиристорный контактор переменного тока с управлением от анодного напряжения.



Особенность полупроводниковых коммутационных устройств состоит в том, что они без принципиальных изменений в сило­вой части могут выполнять различные функции. Так, тиристорный блок, выполненный по схеме на рис. 8.5, одинаково успешно может работать и в качестве контактора, и в качестве выклю­чателя. Только заменой тиристоров (изменяется тип, класс по напряжению или группа прибора по динамическим параметрам) обеспечивается расширение области применения аппаратов по току или напряжению. Существенно можно повлиять на работу схемы и с помощью системы управления, что будет показано на примере работы тиристорного контактора (рис. 8.8).

Силовой блок контактора выполнен по схеме с встречно-па­раллельным соединением тиристоров VS1 и VS2. Управление им осуществляется с помощью цепи, состоящей из резисторов R1, R2, R3 и механического контакта S. Эта цепь подключена парал­лельно тиристорам, поэтому при замкнутом ключе S напряже­ние на ее элементах, и в частности на резисторах R1 и R3, из­меняется синхронно с анодным напряжением на тиристорах. А так как эти резисторы подключены параллельно управляю­щим цепям тиристоров, то напряжение одной полярности одно­временно нарастает и на аноде тиристора, и на его управляю­щем электроде.

Если это напряжение является положительным, например, по отношению к тиристору VS1, и снимаемое с рези­стора R1 напряжение превышает значение отпирающего напря­жения, тиристор VS1 включается. При изменении полярности напряжения таким же образом происходит включение тири­стора VS2.

Диоды VD1 и VD2 в схеме необходимы для защиты управляющих цепей тиристоров от обратного напряжения при отрицательном напряжении на их анодах.

Регулируемый резистор R2 в управляющей цепи выбирается из условия ограничения амплитуды импульса тока управления до допустимого для используемых тиристоров значения. Учитывая, что контакт S может быть замкнут в интервале полу­периода в любой момент времени, в том числе и в момент до­стижения напряжением сети амплитудного значения Um, сопро­тивление резистора определяем из выражения

,

где R G – собственное сопротивление управляющей цепи тири­стора.

Изменением сопротивления резистора R2 можно управлять током во входных цепях тиристоров и, следовательно, моментом включения их по отношению к началу полупериода напряжения (рис. 8.9). В результате контактор становится способным вы­полнять еще одну функцию – регулирование тока в нагрузке. Предельный угол задержки включения тиристоров a max , который можно обеспечить резисторной управляющей цепью, равен 90°. Сам процесс регулирования тока (напряжения, мощности) в цепи посредством изменения угла задержки включения тиристора a называют фазовым регулированием.

Зависимости изменения напряжения на активной нагрузке и тока в ней от угла a для рассматриваемой схемы определяются выраже­ниями

Минимальный угол задержки включения тиристоров при ак­тивной нагрузке a » 2°. Это объясняется тем, что все тиристоры имеют порог чувствительности по управляющей цепи, и, кроме того, изменяющееся по синусоидальному закону анод­ное напряжение тоже должно превысить пороговое значение, по крайней мере, в два раза.

Эти факторы приводят к по­явлению бестоковых пауз в кривой тока нагрузки (t п на рис. 8.9). Из-за разброса характеристик управления тиристо­ров эти паузы могут быть неодинаковы по длительности, что приводит к появлению постоянной составляющей в токе на­грузки.



При необходимости углы задержки включения тиристо­ров выравнивают регулированием токов управления посредством изменения сопротивления подстроечных резисторов R1 и R3 (рис. 8.8).