Тиристоры. Регуляторы мощности и управляемые выпрямители на тиристорах

Управляемый выпрямитель на тиристорах — элементах, обладающих большим коэффициентом усиления по мощности, позволяет получать большие токи в нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора. В данной работе рассмотрены два варианта таких выпрямителей, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 В и от 0,5 до 15 В и устройство для регулировки напряжения на нагрузке активного и индуктивного характера, питаемой от сети переменного тока напряжением 127 и 220 В с пределами регулировки от 0 до номинального напряжения сети. Глава 1. Понятие о тиристоре. Виды тиристоров.

Принцип действия 1.1. Определение, виды тиристоров Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод). Простейшим тиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p - n - p - n (рис. 1.1.2). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а средний p-n-переход – коллекторным.

Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами.

Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью – анодом. В отличие от несимметричных тиристоров (динисторов, тринисторов) в симметричных тиристорах обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами (симисторы). Рис. 1.1.1. Обозначения на схемах: а) симистора б) динистора в) тринистора. Рис. 1.1.2. Структура динистора. Рис. 1.1.3. Структура тринистора. 1.2. Принцип действия При включении динистора по схеме, приведенной на рис. 1.2.1, коллекторный p-n-переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты.

Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток (участок 1 на рис. 1.2.3). Рис. 1.2.1. Схема включения в цепь неуправляемого тиристора (динистора). Рис. 1.2.2. Схема включения в цепь управляемого тиристора (тринистора). Рис.1.2.3. Вольтамперная характеристика динистора. Рис.1.2.4. Вольтамперная характеристика тиристора. Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения U вкл . При напряжении U вкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода.

Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (участок 2 на рис. 1.2.3). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области - избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора.

Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы.

Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора.

Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора. После перехода коллекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующий прямой ветви диода (участок 4). После переключения напряжение на динисторе снижается до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении. При уменьшении напряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода может составлять десятки микросекунд.

Напряжение U вкл при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением не основных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу.

Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом, питаемым от независимого источника управляющего напряжения (U упр ). Тиристор со вспомогательным управляющим электродом называется триодным, или тринисторным. На практике при использовании термина «тиристор» подразумевается именно элемент. Схема включения такого тиристора показана на рис. 1.2.2. Возможность снижения напряжения U при росте тока управления, показывает семейство ВАХ (рис. 1.2.4). Если к тиристору приложить напряжение питания, противоположной полярности (рис. 1.2.4), то эмиттерные переходы окажутся закрытыми. В этом случае ВАХ тиристора напоминает обратную ветвь характеристики обычного диода. При очень больших обратных напряжениях наблюдается необратимый пробой тиристора. 1.3. Параметры тиристоров 1. Напряжение включения ( U вкл ) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние. 2. Повторяющееся импульсное обратное напряжение (U o6p.max ) - это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров U вкл = U o6p.max . 3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток. 4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (U np = 0,5 1В). 5. Обратный максимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности. 6. Ток удержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается. 7. Время отключения – это время, в течение которого закрывается тиристор. 8. Предельная скорость нарастания анодного тока Если анодный ток будет быстро нарастать, то p-n переходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будет происходить местный перегрев и тепловой пробой . 9. Предельная скорость нарастания анодного напряжения Если предельная скорость нарастания анодного напряжения будет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно открыться от электромагнитной помехи. 10. Управляющий ток отпирания – это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена». 11. Управляющее напряжение отпирания – это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена». Глава 2. Применение тиристоров в регуляторах мощности 2.1. Общие сведения о различных регуляторах Тиристоры имеют широкий диапазон применений (регуляторы мощности, управляемые выпрямители, генераторы импульсов и др.), выпускаются с рабочими токами от долей ампера до тысяч ампер и с напряжениями включения от единиц до тысяч вольт.

Регулировка выходного напряжения выпрямителя может осуществляться разными способами.

Регулируемый трансформатор или автотрансформатор, включенный в схему выпрямителя, дает возможность изменять амплитуду переменного напряжения, подводимого к вентилям, и тем самым устанавливать желаемое выпрямленное напряжение.

Однако такие трансформаторы громоздки и имеют малую надежность из-за переключаемых или скользящих контактов.

Регулировка постоянного напряжения на нагрузке, достигаемая делителем напряжения или реостатом, включенным между выходом выпрямителя и нагрузкой, связана с большими потерями мощности. 2.2. Процесс управления напряжением при помощи тиристора Свободным от недостатков методов, перечисленных в 2.2, является метод, основанный на управлении вентилями выпрямителя. В качестве управляемых вентилей в настоящее время широко применяют тиристоры.

Моментом включения тиристора можно управлять подавая управляющий импульс тока на n-р-переход, прилегающий к катоду. При прохождении тока нагрузки через открытый тиристор все три его n-р-перехода смещены в прямом направлении, и управляющий электрод перестает влиять на процессы, происходящие в тиристоре. При спадании прямого тока тиристора до нуля после рассасывания заряда неосновных носителей в базовых областях тиристор запирается, и управляющие свойства восстанавливаются. Рис. 2.1.1. Схема включения тиристора. Рис. 2.1.2. Вольтамперная характеристика тиристора. В схеме, содержащей источник питания Е, тиристор VS и резистор нагрузки R (рис. 2.1.1), возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, а второе – закрытому тиристору.

Наложение характеристики цепи резистор-источник на характеристики тиристора (рис. 2.1.2) позволяет получить прямые токи отключенного (точка А) и включенного (точка В) тиристора.

Повышение напряжения источника от 0 до E при Iу=0 вызывает перемещение рабочей точки по нижней ветви характеристики до точки А. Если подать управляющий импульс тока амплитудой и длительностью, достаточной для поддержания этого тока на время открывания тиристора, то рабочая точка перейдет в точку, соответствующую открытому состоянию тиристора. Рис.2.1.3. Наложение характеристики цепи резистор-источник на характеристики тиристора. Спад открывающего импульса тока в цепи управления не влияет на процессы в открытом тиристоре, его рабочая точка остается в положении В. Восстановление управляющих свойств тиристора произойдет лишь при его обесточивании на время, большее времени его закрывания. В открытом состоянии тиристор пропускает очень большие токи (до нескольких сотен ампер) и оказывает им малое сопротивление. В этом его преимущество.

Применяя тиристоры, следует иметь в виду, что скачкообразное изменение сопротивления в момент открывания может привести к очень большим броскам тока.

Особенно велики эти броски в тех схемах, где нагрузка R шунтируется конденсатором.

Зарядка конденсатора через открывшийся тиристор может вывести последний из строя.

Поэтому для уменьшения бросков тока последовательно с тиристором включают дроссель. 2.3. Управляемый выпрямитель на тиристоре В выпрямительных схемах тиристоры лучше работают при активной нагрузке или при нагрузке, начинающейся с индуктивного элемента. В управляемый выпрямитель тиристор вводят как обычный вентиль, а к его управляющему электроду подводят от цепи управления (ЦУ) импульсы, включающие тиристоры с запаздыванием на угол a относительно выпрямляемого напряжения (рис. 2.1.3). Через тиристор VS1, включающийся в момент, соответствующий w t = a на выход выпрямителя передается напряжение первой фазы вторичной обмотки e21. При w t= p напряжение e21 становится отрицательным, однако тиристор запереться не может, так как это привело бы к обрыву тока, проходящего через дроссель L. Индуктивность дросселя L выбирают большей критической, чем и поддерживают непрерывный ток.

Поэтому в те моменты, когда e21 отрицательно, на дросселе L наводится ЭДС самоиндукции с полярностью и значением, обеспечивающими напряжение на катоде, меньше e21. При w t= p + a открывается тиристор VS2, через который на выход передается напряжение e22, являющееся на данном этапе положительным. Ток дросселя переходит на вторую фазу, а тиристор VS1 оказавшись обесточенным и смещенным в обратном направлении, запирается и т. д. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя e0 создается лишь теми частями напряжений вторичных полуобмоток E21 и E22, которые соответствуют открытому состоянию тиристоров. Рис.2.1.4. Схема регулировки выпрямления напряжения.

Напряжение на нагрузке, получающееся почти равным постоянной составляющей напряжения e0, подводимого к фильтру LС, растет при уменьшении угла a и спадает при его увеличении.

Регулировка выпрямленного напряжения, достигаемая изменением фазы управляющих импульсов, не связана с гашением избытка мощности в самом регулируемом выпрямителе, что является основным его преимуществом. Схемы выпрямления с тиристорами такие же, как обычных выпрямителей.

Основное внимание далее уделяется двухфазным схемам выпрямителей. Для простоты полагаем падение напряжения на открытом тиристоре много меньшим (рис. 2.1.4.) выпрямленного напряжения, а токи утечки (прямой ток при закрытом тиристоре и обратный ток при отрицательном напряжении) – малыми по сравнению с током нагрузки. Это позволит считать тиристор идеальным (прямое падение напряжения в режиме насыщения, прямой и обратный токи утечки, а также ток отключения в нем равны нулю). Такие упрощения не приведут к большой погрешности, так как ток через вентиль схемы определяется сопротивлением нагрузки, а не фазы. По этой же причине можем считать идеальными дроссель L и трансформатор, т. е. пренебречь индуктивностью рассеяния и активными сопротивлениями их обмоток.

Среднее значение тока i L на интервале p + a должно быть равно току нагрузки.

Подставив найденное таким образом значение C, получим Выпрямленное напряжение получается, если тиристор каждой из фаз открыт до тех пор, пока не вступит в работу следующая фаза.

Однако это верно лишь в том случае, когда ток дросселя к моменту открывания вентиля следующей фазы положителен и напряжение, получаемое в момент включения с включающейся фазы, больше напряжения на конденсаторе.

Последнее условие выполняется при > 32,5°, что обеспечивает рост тока дросселя сразу после включения тиристора.

Поэтому чаще всего индуктивность дросселя L выбирают такой, чтобы при максимально возможном сопротивлении нагрузки удовлетворялось условие непрерывности тока.

Полный перепад пульсаций на выходном конденсаторе С найдем так же, как и при исследовании неуправляемого выпрямителя. В результате получим выражение:

Тиристор VS 1, включенный в диагональ моста, составленного из диодов VD 1— VD 4 играет роль управляемого ключа, который открывается при разряде конденсатора С1 через ограничительный резистор R2 и управляющий переход тиристора при включении переключающего диода VD 6. Напряжение, при котором тиристор включается, можно регулировать потенциометром R1. Вместо переключающего диода VD 6 можно использовать стабилитрон, но в этом случае уменьшается диапазон регулировки напряжения на нагрузке. 3.2. Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах На первых двух рисунках изображены варианты выпрямителей на тиристорах, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 в (рис. 3.2.1) и от 0,5 до 15 в (рис. 3.2.2). В течение одного полупериода к аноду тиристора приложено положительное относительно катода напряжение. Рис. 3.2.1. Принципиальная схема выпрямителя №1. Пока на управляющий электрод не подан положительный сигнал определенной амплитуды со схемы запуска, тиристор не пропускает ток в прямом направлении. Через некоторый произвольный угол задержки между напряжениями на управляющем электроде и катоде прикладывается положительный запускающий сигнал, вызывающий протекание тока через тиристор и соответственно через нагрузку. При перемене полярности напряжения на аноде тиристора последний закрывается независимо от величины управляющего напряжения, при этом аналогично рассмотренному ранее начинает работать другое плечо схемы.

Регулируя угол задержки включения а по отношению к приложенному напряжению, можно изменять соотношение фаз начала протекания тока и приложенного напряжения и регулировать величину среднего значения выпрямленного тока (напряжения) нагрузки от максимума ( = 0) до нуля ( = ). Угол задержки включения тиристоров Д1 и Д4 изменяется потенциометром R1. Диоды Д3 защищают цени управления (запуска) от отрицательного напряжения в то время, когда напряжение на анодах тиристоров отрицательное. Для получения широких пределов регулировки (0 — ) применены RC - цепи. В выпрямителе (рис.3.2.2) тиристор и схема запуска работают как в положительный, так и в отрицательный полупериоды, время разряда конденсаторов сокращается, что приводит к уменьшению диапазона изменения угла а и, соответственно, к уменьшению пределов регулирования напряжения на нагрузке. Для устранения этого явления включен диод Д3. Рис. 3.2.2. Принципиальная схема выпрямителя№2. Тиристоры для выпрямителя (рис. 3.2.1) желательно выбирать с близким значением сопротивления участка управляющий электрод — катод. Если не удается подобрать одинаковые тиристоры, то схему можно симметрировать с помощью дополнительного сопротивления. Для этого включают эквивалент нагрузки и изменением величины сопротивления потенциометра R1 устанавливают максимальный ток.

Поочередно отключая цепи управления тиристоров, измеряют ток каждого плеча выпрямителя.

Переменное сопротивление величиной 10 кОм. подключается параллельно управляющему электроду к катоду того тиристора, через который течет больший ток.

Изменяя величину этого сопротивления, добиваются одинаковых показаний тока.

Учитывая разброс параметров тиристоров, необходимо скорректировать сопротивления резисторов R1 и R2. Вначале R1 берется несколько больше рассчитанного, а R2 определяется как остаточное сопротивление потенциометра R1 при условии, что его изменение не приводит к увеличению тока нагрузки.

Максимальная величина R1 ограничивается сопротивлением, при котором ток нагрузки равен нулю.

Конструктивно тиристоры необходимо размещать на радиаторах с площадью 50 кв.см (рис. 3.2.1), 250 кв.см - (рис. 3.2.2). Во всех вариантах использован трансформатор, собранный на обычном сердечнике УШ35х55. Для намотки взят провод марки ПЭВ. Первичная обмотка содержит 550 витков, диаметр провода 0,55 мм.

Данные вторичных обмоток: для варианта на рис.3.2.1 - число витков 2х60 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.; для варианта на рис.3.2.2 - число витков 2х64 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.

Заключение Применение тиристоров в таких устройствах, как регуляторы мощности и управляемые выпрямители, позволяет получать большие токи в нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора. А также делают эти устройства более надежными, компактными и экономичными в использовании.

Снижается и себестоимость регулятора мощности, в результате отсутствия трансформатора с медной обмоткой.

Литература 1. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И., 'Микроэлектроника', М., 'Высшая школа', 1987 г. 2. Алексеенко А. Г., Шагурин В. Я., 'Микросхемотехника', М., 'Радио и связь', М., 'Радио и связь', 1982 г. 3. Коледов Л. А., 'Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок', М., 'Радио и связь', 1989 г. 4. Бакалов В.П. и д.р.

Основы теории электрических цепей и электротехники: Учебник для вузов / В.П.Бакалов, А.Н.Игнатов, Б.И.Крук. –М.; Радио и связь, 1989. –528с.:ил. 5. Сизых Г.Н. Электропитающие устройства связи: Учебник для техникумов –М.: Радио и связь, 1982.- 288с., ил. 6. А. Старцев – Регулятор на тиристоре. Ж. Радио 7/68г. 7. И. Серяков, Ю. Ручкин – Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах. Ж. Радио, 2/71г. 8. А. А. Каяцкас.

Основы радиоэлектроники. – М.: Высшая школа, 1988. – 463с., ил.