Тиристори: принцип рада, дизајн, врсте и методе укључивања

Принцип рада тиристора

Тиристор је енергетски електроник, који се не може у потпуности контролисати. Стога се понекад у техничкој литератури назива тиристор са једном операцијом, који се може пребацити у проводно стање само контролним сигналом, односно може се укључити. Да бисте га искључили (у раду једносмерне струје), морају се предузети посебне мере како би се осигурало да једносмерна струја падне на нулу.

Тиристорски прекидач може да спроводи струју само у једном правцу, ау затвореном стању може да издржи и напред и обрнути напон.

Тиристор има четворослојну п-н-п-н структуру са три извода: анода (А), катода (Ц) и капија (Г), што је приказано на сл. 1

Пиринач. 1. Конвенционални тиристор: а) — конвенционална графичка ознака; б) — волт-амперска карактеристика.

На сл. 1б приказује фамилију излазних статичких И — В карактеристика при различитим вредностима контролне струје иГ. Ограничавајући предњи напон који тиристор може да издржи без укључивања има максималне вредности на иГ = 0.Како се струја повећава, иГ смањује напон који тиристор може да издржи. Укључено стање тиристора одговара грани ИИ, искључено стање одговара грани И, а процес пребацивања одговара грани ИИИ. Струја задржавања или струја задржавања једнака је минималној дозвољеној струји унапред иА при којој тиристор остаје проводљив. Ова вредност такође одговара минималној могућој вредности пада напона унапред преко укљученог тиристора.

Грана ИВ представља зависност струје цурења од обрнутог напона. Када обрнути напон пређе вредност УБО, почиње нагло повећање реверзне струје, повезано са кваром тиристора. Природа слома може одговарати иреверзибилном процесу или процесу лавинског слома својственом раду полупроводничке зенер диоде.

Тиристори су најмоћнији електронски прекидачи, способни за пребацивање кола са напонима до 5 кВ и струјама до 5 кА на фреквенцији не већој од 1 кХз.

Дизајн тиристора је приказан на сл. 2.

Пиринач. 2. Дизајн тиристорских кутија: а) — таблет; б) — игла

ДЦ тиристор

Конвенционални тиристор се укључује применом струјног импулса на контролно коло са позитивним поларитетом у односу на катоду. На трајање прелазног процеса при укључивању значајно утичу природа оптерећења (активно, индуктивно, итд.), амплитуда и брзина пораста импулса контролне струје иГ, температура полупроводничке структуре тиристора, амплитуда и брзина пораста импулса контролне струје иГ. примењени напон и струја оптерећења.У колу које садржи тиристор не би требало да постоје неприхватљиве вредности брзине пораста унапред напона дуАЦ / дт, где може доћи до спонтаног активирања тиристора у одсуству контролног сигнала иГ и брзине пораст од струје диА / дт. Истовремено, нагиб контролног сигнала мора бити висок.

Међу начинима за искључивање тиристора, уобичајено је разликовати природно искључивање (или природно пребацивање) и присилно (или вештачко пребацивање). Природна комутација се дешава када тиристори раде у наизменичним колима у тренутку када струја падне на нулу.

Методе принудног пребацивања су веома разноврсне.Најтипичније од њих су следеће: повезивање претходно напуњеног кондензатора Ц са прекидачем С (слика 3, а); повезивање ЛЦ кола са претходно напуњеним кондензатором ЦК (слика 3 б); коришћење осцилаторне природе прелазног процеса у кругу оптерећења (слика 3, ц).

Пиринач. 3. Методе за вештачко пребацивање тиристора: а) — помоћу напуњеног кондензатора Ц; б) — помоћу осцилаторног пражњења ЛЦ кола; в) — због флуктуирајуће природе оптерећења

Приликом пребацивања према дијаграму на сл. 3 и повезивањем прекидачког кондензатора обрнутог поларитета, на пример на други помоћни тиристор, довешће до његовог пражњења до главног проводног тиристора. Пошто је струја пражњења кондензатора усмерена против напредне струје тиристора, ова друга се смањује на нулу и тиристор се искључује.

На дијаграму сл. 3, б, повезивање ЛЦ кола изазива осцилирајуће пражњење прекидачког кондензатора ЦК.У овом случају, на почетку, струја пражњења тече кроз тиристор супротно од његове напредне струје, када се изједначе, тиристор се искључује. Поред тога, струја ЛЦ-кола прелази са тиристора ВС на диоду ВД. Како струја петље тече кроз диоду ВД, на тиристор ВС ће се применити реверзни напон једнак паду напона на отвореној диоди.

На дијаграму сл. 3, повезивање тиристора ВС са сложеним РЛЦ оптерећењем ће изазвати прелазни процес. Са одређеним параметрима оптерећења, овај процес може имати осцилаторни карактер са променом поларитета струје оптерећења. У овом случају, након искључивања тиристора ВС, укључује се диода ВД, која почиње да води струју од супротан поларитет. Понекад се овај метод пребацивања назива квази-природним јер укључује промену поларитета струје оптерећења.

АЦ тиристор

Када је тиристор прикључен на АЦ коло, могуће су следеће операције:

• укључивање и искључивање електричног кола са активним и активно-реактивним оптерећењем;

• промена просечних и ефективних вредности струје кроз оптерећење због чињенице да је могуће подесити време контролног сигнала.

Пошто је тиристорски прекидач способан да проводи електричну струју само у једном правцу, онда се за употребу тиристора наизменичне струје користи њихова паралелна веза (слика 4, а).

Пиринач. 4. Антипаралелна веза тиристора (а) и облик струје са активним оптерећењем (б)

Просечна и ефективна струја варирају услед промене времена у коме се сигнали отварања примењују на тиристоре ВС1 и ВС2, тј. променом угла и (сл. 4, б).Вредности овог угла за тиристоре ВС1 и ВС2 током регулације се истовремено мењају од стране управљачког система. Угао се назива контролни угао или угао паљења тиристора.

Најширу примену у енергетским електронским уређајима су фазна (сл. 4, а, б) и тиристорска контрола са ширином импулса (сл. 4, ц).

Пиринач. 5. Врста напона оптерећења при: а) — фазна контрола тиристора; б) — фазно управљање тиристора са принудном комутацијом; в) — тиристорско управљање ширином импулса

Са фазним методом тиристорског управљања са принудном комутацијом, регулација струје оптерећења је могућа и променом угла ? и угла ?... Вештачко пребацивање се врши помоћу посебних чворова или коришћењем потпуно контролисаних (закључавајућих) тиристора.

Код контроле ширине импулса (ширина импулса модулација — ПВМ) током Тоткр-а се на тиристоре примењује управљачки сигнал, они су отворени и напон Ун се примењује на оптерећење. Током Тацр времена, контролни сигнал је одсутан и тиристори су у непроводном стању. РМС вредност струје у оптерећењу

где је Ин.м. — струја оптерећења при Тцл = 0.

Крива струје у оптерећењу са фазном контролом тиристора је несинусоидна, што изазива изобличење облика напона напонске мреже и сметње у раду потрошача осетљивих на високофреквентне сметње – јавља се тзв. Електромагнетна некомпатибилност.

Тиристори за закључавање

Тиристори су најмоћнији електронски прекидачи који се користе за пребацивање високонапонских, високострујних (великих струја) кола.Међутим, они имају значајан недостатак — непотпуну управљивост, која се манифестује у томе што је за њихово искључење потребно створити услове за смањење струје напред на нулу. Ово у многим случајевима ограничава и компликује употребу тиристора.

Да би се елиминисао овај недостатак, развијени су тиристори који се закључавају сигналом са контролне електроде Г. Такви тиристори се називају тиристори са затварањем (ГТО) или дуал-оператион.

Тиристори за закључавање (ЗТ) имају четворослојну п-п-п-п структуру, али у исто време имају низ значајних дизајнерских карактеристика које им дају потпуно другачије од традиционалних тиристора - својство пуне управљивости. Статичка ИВ-напонска карактеристика тиристора за искључивање у правцу напред је идентична ИВ-овој карактеристици конвенционалних тиристора. Међутим, тиристор за закључавање обично није у стању да блокира велике реверзне напоне и често је повезан на антипаралелну диоду. Поред тога, тиристори са закључавањем карактеришу значајни падови напона напред. Да бисте искључили тиристор за закључавање, потребно је применити снажан импулс негативне струје (приближно 1: 5 у односу на вредност константне струје искључења) на коло електроде за затварање, али кратког трајања (10- 100 μс).

Тиристори са закључавањем такође имају ниже граничне напоне и струје (за око 20-30%) од конвенционалних тиристора.

Главне врсте тиристора

Са изузетком тиристора са закључавањем, развијен је широк спектар тиристора различитих типова који се разликују по брзини, процесима управљања, смеру струја у проводном стању итд.Међу њима треба напоменути следеће врсте:

• тиристорска диода, која је еквивалентна тиристору са антипаралелно повезаном диодом (слика 6.12, а);

• диодни тиристор (динистор), прелазак у проводљиво стање када се прекорачи одређени ниво напона, примењен између А и Ц (слика 6, б);

• тиристор за закључавање (слика 6.12, ц);

• симетрични тиристор или триак, што је еквивалентно два антипаралелно повезана тиристора (слика 6.12, д);

• брзи инвертерски тиристор (време искључења 5-50 μс);

• пољски тиристор, на пример, заснован на комбинацији МОС транзистора са тиристором;

• оптички тиристор контролисан светлосним током.

Пиринач. 6. Уобичајена графичка ознака тиристора: а) — тиристорска диода; б) — диодни тиристор (динистор); ц) — тиристор за закључавање; г) — триац

Заштита тиристора

Тиристори су критични уређаји за брзину пораста струје диА / дт и пад напона дуАЦ / дт. Тиристоре, као и диоде, карактерише феномен реверзне струје опоравка, чији оштар пад на нулу погоршава могућност пренапона са високом дуАЦ/дт вредношћу. Овакви пренапони су резултат наглог прекида струје у индуктивним елементима кола, укључујући мале индуктивности инсталација. Због тога се за заштиту тиристора обично користе различите ЦФТЦП шеме, који у динамичким режимима пружају заштиту од неприхватљивих вредности диА / дт и дуАЦ / дт.

У већини случајева, унутрашњи индуктивни отпор извора напона укључених у коло укљученог тиристора је довољан да се не уводи додатна индуктивност ЛС.Због тога у пракси често постоји потреба за ЦФТ-овима који смањују ниво и брзину пренапона окидања (слика 7).

Пиринач. 7. Типично заштитно коло тиристора

У ту сврху се обично користе РЦ кола повезана паралелно са тиристором. Постоје различите модификације кола РЦ кола и методе израчунавања њихових параметара за различите услове употребе тиристора.

За тиристоре са закључавањем, кола се користе за формирање путање пребацивања, сличног кругу као ЦФТТ транзистори.