Тиристор для чайников: схема включения и способы управления

8

Принципы управления тиристорами

Тема: МАСТЕРАМ Дата: 27.6.05

В выпрямителях в качестве управляемых
ключей используются тиристоры. Для
открывания тиристора необходимо
выполнение двух условий:

• потенциал анода должен превышать
потенциал катода;

• на управляющий электрод необходимо
подать открывающий (управляющий) импульс.

Момент появления положительного
напряжения между анодом и катодом
тиристора называется моментом
естественного открывания. Подача
открывающего импульса может быть
задержана относительно момента
естественного открывания на угол
открывания
. Вследствие этого задерживается
начало прохождения тока через вступающий
в работу тиристор и регулируется
напряжение выпрямителя.

Для управления тиристорами выпрямителя
используется система импульсно-фазового
управления (СИФУ), выполняющая следующие
функции:

• определение моментов времени, в
которые должны открываться те или иные
конкретные тиристоры; эти моменты
времени задаются сигналом управления,
который поступает с выхода САУ на вход
СИФУ;

• формирование открывающих импульсов,
передаваемых в нужные моменты времени
на управляющие электроды тиристоров и
имеющих требуемые амплитуду, мощность
и длительность.

По способу получения сдвига открывающих
импульсов относительно точки естественного
открывания различают горизонтальный,
вертикальный и интегрирующий принципы
управления.

При горизонтальном управлении (рис.
2.28) управляющее переменное синусоидальное
напряжение uу сдвигается по фазе (по
горизонтали) по отношению к напряжению
u1, питающему выпрямитель. В момент
времени φt = α из управляющего напряжения
формируются прямоугольные отпирающие
импульсы UGT.Горизонтальное управление
в электроприводах практически не
применяется, что обусловлено ограниченным
диапазоном регулирования угла α (около
120°).

При вертикальном управлении (рис. 2.29)
момент подачи открывающихся импульсов
определяется при равенстве управляющего
напряжения uу (постоянного по форме) с
переменным опорным напряжением uпил
(по вертикали). В момент равенства
напряжений формируются прямоугольные
импульсы UGT.

При интегрирующем управлении (рис. 2.30)
момент подачи открывающих импульсов
определяется при равенстве переменного
управляющего напряжения uу с постоянным
опорным напряжением Uon. В момент равенства
напряжений формируются прямоугольные
импульсы UGT .

Рис. 2,28. Горизонтальный принцип управления

Рис. 2.29. Вертикальный принцип управления

Рис. 2.30. Интегрирующий принцип управления

По способу отсчета угла открывания α
СИФУ делят на многоканальные и
одноканальные. В многоканальных СИФУ
отсчет угла α для каждого тиристора
выпрямителя производится в собственном
канале, в одноканальных — в одном канале
для всех тиристоров
. В промышленном
электроприводе преимущественное
применение получили многоканальные
СИФУ с вертикальным принципом управления.

1. Принцип
регулирования выпрямленного напряжения
в управляемых выпрямителях.

В управляемых выпрямителях процесс
выпрямления совмещен с регулированием
напряжения. В них в качестве основного
элемента применяют управляемые вентили
– тиристоры.

Условия открытия тиристора :

А (+), К (-);

УЭ (+), К (-).

Тиристор закрывается при подаче
обратного напряжения или уменьшении
тока через тиристор величины, близкой
к нулю. После открытия тиристора
управляющий электрод теряет свои
функции.

Если к тиристору прикладывается
напряжение от вторичной обмотки
(положительный полупериод), то тиристор
будет закрыт до тех пор, пока не будет
подан импульс на управляющий электрод.
Как только это произойдёт, тиристор
открывается и работает, как обыкновенный
вентиль.

^ Рисунок 1. Принцип горизонтального
регулирования.

Время от начала полупериода до открывания
тиристора называется углом регулирования
α. Если α = 0, то работа выпрямителя
аналогична работе неуправляемого
выпрямителя
. Чем позже от начала
полупериода будет появляться управляемый
импульс, тем позже откроется тиристор
, тем больше угол регулирования α, тем
меньше будет площадь импульса выпрямленного
напряжения, тем меньше будет среднее
значение выпрямленного напряжения.

Среднее значение выпрямленного
напряжения может быть определено по
формуле для любого угла регулирования:
Uo = Uoα=0 • (1 + cosα) / 2

Таким образом, изменяя время появления
управляющего импульса, изменяем угол
регулирования, а следовательно, и среднее
значение выпрямленного напряжения.

^ 2. Методы управления тиристорами
(Самостоятельная работа):

Горизонтальный метод управления;

Вертикальный метод управления;

Существует два способа изменения угла
регулирования:

Горизонтальный метод управления
называется так потому, что с помощью
фазосдвигающих устройств смещаются
управляющие импульсы по горизонтали
(по оси времени).

Вертикальный метод управления. При этом
методе управления, управляющий импульс
появляется тогда, когда линейное
возрастающее напряжение (пилообразное)
становится равным какому- то постоянному
напряжению (которое можно изменить).

Допустим, что постоянное напряжение
Un, тогда в момент времени 1 напряжение
пилообразное станет равным Un1:

Рисунок 2. Принцип вертикального
регулирования.

В этот момент будет сформирован
управляющий импульс 1. Угол регулирования
равен α1
. Если Un увеличить до значения
Un2, то пилообразное напряжение позже
достигает этого значения, следовательно,
и позже появится управляющий импульс
(в момент 2).
. Угол регулирования в этом
случае увеличится.

Второй случай более точный (более
стабильный α), но и более сложный.
Преимуществом регулирования напряжения
является исключительно малые потери,
а недостатком — повышение пульсации, в
особенности при больших углах регулирования

^ Принцип работы схемы однофазного
управляемого выпрямителя с нулевым
выводом.

Широкое применение для регулирования
напряжения на нагрузке получил фазовый
способ, основанный на управлении во
времени моментом отпирания диодов
выпрямителя. Он базируется на использовании
в схеме выпрямителя управляемых диодов
— тиристоров, в связи с чем выпрямитель
называется управляемым.

Рассмотрим принцип работы схемы
однофазного управляемого выпрямителя
с нулевым выводом (рис4), работающего на
активную нагрузку.

Пусть на входе выпрямителя действует
положительная полуволна напряжения
сети U1 чему соответствуют полярности
напряжений на обмотках трансформатора,
указанные на рис. 4 без скобок. На интервале
О-vd тиристоры VS1, VS2 закрыты, напряжение
на выходе выпрямителя ud= 0
. К тиристорам
VS1, VS2 прикладывается суммарное напряжение
двух вторичных обмоток трансформатора
U2-1 + U2-2
. На тиристоре VS1 действует
напряжение в прямом направлении, а на
тиристоре VS2 в обратном.

Если сопротивления непроводящих
тиристоров при прямом и обратном
напряжениях считать одинаковыми, то на
интервале 0 – v1 напряжение на тиристорах
(с учетом соответствующей полярности)
будет определятся величиной (u2-1-u2-2)/2 =
u2.

В момент времени v1 определяемый углом
α от системы управления СУ выпрямителя
поступает импульс на управляющий
электрод тиристора VS1. В результате
отпирания тиристор VS1 подключает нагрузку
rh на напряжение U2-1 — т вторичной обмотки
трансформатора
. На нагрузке в интервале
формируется напряжение Ud), предоставляющее
собой участок кривой напряжения U2-1 = u2
Через нагрузку и тиристор VS1 протекает
ток id=iv=ud/Rн. При переходе напряжения
питания через нуль(\/2-П), ток тиристора
VS1 становится равным нулю и тиристор
закрывается.

В интервале V2 — П полярность напряжения
питания изменяется на противоположную.
В этом интервале оба тиристора выпрямителя
закрыты. К тиристору VS1 прикладывается
обратное напряжение, а к тиристору
VS2—прямое напряжение, равное u2.

По окончании указанного интервала
подается отпирающий импульс на тиристор
VS2. Отпирание этого тиристора вызывают
приложение к нагрузке напряжения
ud=u2-2=u2 той же формы, что и на интервале
проводимости тиристора VS1.

Через нагрузку и тиристор протекает
ток id=iv=ud/Rн .На интервале 2П — V2 проводимости
тиристора VS2 напряжения двух вторичных
обмоток трансформатора подключаются
к тиристору VS2, вследствие чего с момента
отпирания тиристора VS2 на тиристоре VS1
действует обратное напряжение, равное
2u2.

^ Рисунок 5. Временные диаграммы
выпрямленного напряжения

Регулеровачная характеристика
управляемого выпрямителя.

Максимальному обратному напряжению
соответствует значение, где U2 — действующее
значение вторичного напряжения
трансформаторов.

В последующем процессы в схеме следуют
аналогично рассмотренным.

Как указывалось, одной из важнейших
особенностей управляемого выпрямителя
является его способность регулировать
среднее значение выпрямленного напряжения
Ud при изменении угла α. При α = 0 кривая
выходного напряжения Ud соответствует
случаю неуправляемого выпрямителя и
напряжения максимально
. Углу управления
α – П (180 эл. град. ) отвечают Ud = 0 и Ud =0.
Иными словами, управляемый выпрямитель
при изменении угла α, от 0 до 180 эл
. град.
осуществляет регулирование напряжения
Ud в пределах от максимального значения,
равного 09 U2 do 0
. Вид кривых Ud при различных
значениях угла α показан на рис. 5а — г.

Зависимость напряжения Ud от угла α
называется регулировочной характеристикой
управляемого выпрямителя и приведена
на рис. 6.

Контрольные вопросы.

Какой метод управления тиристорами
является наиболее эффективным?

Какие условия необходимы, чтобы тиристор
был открыт?

При каком условии закрывается тиристор?

Чем позже от начала полупериода будет
появляться управляющий импульс, тем?

В каком случае работа управляющего
выпрямителя аналогична работе
неуправляемого выпрямителя?

При каком значении угла регулирования
выпрямленное напряжение на выходе
управляемого выпрямителя минимально?

Что показывает регулировочная
характеристика управляемого выпрямителя?

Симистор — полупроводниковый прибор, используемый в качестве электронного ключа в схемах коммутации цепей переменного тока. Каждый из типов электрических ключей имеет свои достоинства, недостатки и область применения. Простейшими механическими ключами являются выключатели и рубильники. Применяются там, где необходима ручная коммутация одной или нескольких групп контактов.

Электромеханические ключи

Для коммутации в электрических схемах используются ключи различного типа:

  • механические;
  • электромеханические;
  • электронные.

К электромеханической группе относятся реле или контакторы. Замыканием и размыканием контактов управляет электромагнит. На катушку электромагнита подается управляющее напряжение, которое может быть как постоянным, так и переменным. Механические контакты реле могут коммутировать практически любые токи. Сопротивление контактной пары ничтожно, падение напряжения на контактах практически отсутствует. Нет потерь мощности при коммутации нагрузок, хотя есть потери на питание управляющей катушки.

Огромным преимуществом контакторов является то, что цепи нагрузки и управления электрически изолированы.

Недостатков тоже немало:

  • Ограниченно число переключений. Контакты изнашиваются;
  • Возникновение электрической дуги при размыкании — искрение контактов. Приводит к электроэрозии и недопустимо во взрывоопасных средах;
  • Низкое быстродействие.

Там, где применение контакторов невозможно или нецелесообразно, применяют электронные ключи.

Электронные ключи

В настоящее время применяются следующие типы:

  • Ключи на биполярных транзисторах;
  • Ключи на полевых транзисторах;
  • Ключи на управляемых диодах — тиристорах;
  • Ключи на симметричных управляемых диодах — симисторах.

Рассмотрим подробно каждый из типов:

На транзисторах

Простейшим электронным ключом является биполярный транзистор. Как известно, биполярный транзистор имеет структуру n-p-n или р-n-p с двумя p-n переходами и тремя выводами: эмиттер, база и коллектор.

Если ток базы отсутствует, ток коллектора равен нулю. Транзистор находится в состоянии отсечки. Это соответствует разомкнутому состоянию.

Если в базу подать ток достаточной величины, транзистор войдет в насыщение, и напряжение на коллекторе будет близко к нулю, независимо от тока коллектора. Это соответствует замкнутому состоянию.

До появления полевых транзисторов ключи на биполярных транзисторах были основой всей полупроводниковой схемотехники.

В полевых транзисторах между выводами стока и истока существует проводящий канал n или р типа. К этому каналу через диэлектрический слой окисла подключен управляющий электрод — затвор. Меняя напряжение на затворе, можно воздействовать на ширину проводящего канала и тем самым менять его проводимость. Управляя затвором, можно переводить ключ в открытое и закрытое состояние.

Ключи на полевых транзисторах превосходят ключи на биполярных по быстродействию, поскольку биполярные транзисторы медленно выходят из режима насыщения.

Сегодня все компьютеры, смартфоны и прочие гаджеты собраны на комплиментарных (то есть разнополярных) МОП транзисторах. В быстродействующей силовой электронике также применяются мощные полевые транзисторы.

На тиристорах

Если добавить к структуре биполярного транзистора еще один p-n переход, можно получить прибор с очень интересными свойствами — управляемый диод, или тиристор.

Тиристор — это полупроводниковый прибор со структурой p-n-p-n или n-p-n-p. Он имеет три или реже четыре вывода. Вывод, подключенный к внешнему слою p, называется анод, к внешнему слою n — катод. Управляющий электрод, называемый базой, подключается к одному из внутренних слоев, обычно к тому, который примыкает к катоду. Тиристор может иметь и две базы, но это не принципиально.

Эта структура эквивалентна соединению двух, транзисторов с разным типом проводимости, показанному на рисунке.

Это два транзисторных ключа, включенных навстречу друг другу. База каждого из транзисторов подключена к коллектору другого. Эта схема напоминает триггер — элемент с памятью. Если подать в базу отпирающий ток, то тиристор откроется, но из-за эффекта памяти останется в этом состоянии до тех пор, пока ток через него не снизится практически до нуля.

У тиристора очень необычная вольт-амперная характеристика. Она имеет S — образную форму.

Характеристика показывает зависимость тока через тиристор от напряжения между анодом и катодом при различных значениях тока базы IG. Напряжение Vbo соответствует напряжению включения тиристора. Vbr соответствует напряжению пробоя.

При достаточно большом токе базы тиристор ведет себя как диод. Иногда тиристор называют управляемым диодом, что соответствует его графическому обозначению на схемах. Тиристор проводит ток в одном направлении.

Принцип работы симистора

Симистор — это прибор, структура которого соответствует двум тиристорам с разной проводимостью, соединенных встречно-параллельно. Это ясно видно из их условного графического обозначения.

Обозначение симистора.

Вольт-амперная характеристика, в отличие от тиристора, симметрична.

Симистор проводит ток в обоих направлениях, в отличие от тиристора. В остальном его поведение аналогично.

Как и тиристор, симистор является электронным ключом, управляемым током, так же, как и транзисторный ключ, но в отличие от транзисторного ключа, симисторный (и тиристорный) остается в открытом состоянии и после снятия управляющего сигнала, пока ток через него превышает некоторое минимальное значение, называемое током удержания.

Динисторы как разновидность симисторов

Если не использовать управляющий вход симистора, он превращается в динистор. Характеристика динистора соответствует характеристике симистора при Ig = 0.

Динистор ведет себя, подобно разряднику. Если напряжение на выводах разрядника превышает напряжение пробоя, он начинает пропускать ток, и остается в открытом состоянии, пока ток не станет ниже порога удержания, или полярность напряжения не сменится на обратную. Динисторы часто используются для управления симисторными ключами.

Графическое условное обозначение динистора на электрических схемах может быть различным.

Принцип фазного регулирования мощности

Основное применение симисторов — регулирование мощности в цепях переменного тока. В таких регуляторах используется принцип фазного регулирования. Принцип состоит в том, что ключ отключает нагрузку на определенную долю полупериода синусоидального тока сети.

В результате на нагрузку передается обрезанная синусоида тока. Меняя длительность открытого состояния ключа, можно управлять величиной мощности и действующим значением напряжения на нагрузке.

Такие схемы используются в регуляторах яркости ламп накаливания — диммерах, регуляторах мощности нагревательных приборов, схемах плавного пуска электродвигателей.

Схема регуляторов мощности на симисторе

Простейшая схема симисторного регулятора приведена ниже. Емкость C1 заряжается через резисторы R1 и R2.

Когда напряжение на емкости достигнет величины напряжения открытия динистора, через открытый динистор на управляющий вход симистора подается отпирающий ток, симистор открывается и остается в открытом состоянии до конца полупериода. Емкость тем временем разряжается через открытый динистор и базу симистора. Напряжение на емкости падает, и динистор закрывается.

На втором полупериоде все повторяется. Меняя сопротивление R1, можно изменять скорость заряда емкости и, соответственно, момент срабатывания динистора и открытия ключа.

Проверка с помощью мультиметра

В интернете достаточно советов по тому, как проверить исправность симистора мультиметром. Мы же считаем, что нормально проверить симистор мультиметром невозможно.

Тока мультиметра в режиме прозвонки или измерения сопротивления, скорее всего, недостаточно ни для тока управления, ни для тока удержания. Тестером можно лишь проверить пробой p-n переходов. Исправный переход работает как диод и показывает высокое сопротивление в одном направлении и низкое — в другом.

Для полноценной проверки симистора надо собрать хотя бы простейшую испытательную схему. Хотя бы на батарейках и лампочках. Если вы внимательно прочли данную статью, информации будет достаточно для подключения симистора по такой схеме для проверки его работоспособности.