Tyristory: princíp činnosti, konštrukcia, typy a spôsoby inklúzie

Princíp činnosti tyristora

Tyristor je výkonový elektronický, nie plne ovládateľný spínač. Preto sa niekedy v odbornej literatúre nazýva jednočinný tyristor, ktorý je možné prepnúť do vodivého stavu iba riadiacim signálom, teda zapnúť. Na jeho vypnutie (v prevádzke s jednosmerným prúdom) je potrebné vykonať špeciálne opatrenia, aby sa zabezpečilo, že jednosmerný prúd klesne na nulu.

Tyristorový spínač môže viesť prúd iba v jednom smere a v zatvorenom stave je schopný vydržať priame aj spätné napätie.

Tyristor má štvorvrstvovú štruktúru p-n-p-n s tromi zvodmi: anóda (A), katóda (C) a brána (G), ktorá je znázornená na obr. 1

Ryža. 1. Konvenčný tyristor: a) — konvenčné grafické označenie; b) — voltampérová charakteristika.

Na obr. 1b znázorňuje skupinu výstupných statických I-V charakteristík pri rôznych hodnotách riadiaceho prúdu iG. Obmedzujúce priepustné napätie, ktoré môže tyristor vydržať bez jeho zapnutia, má maximálne hodnoty pri iG = 0.Keď sa prúd zvyšuje, iG znižuje napätie, ktoré vydrží tyristor. Stav zapnutia tyristora zodpovedá vetve II, stav vypnutia zodpovedá vetve I a proces spínania zodpovedá vetve III. Prídržný prúd alebo prídržný prúd sa rovná minimálnemu prípustnému doprednému prúdu iA, pri ktorom zostáva tyristor vodivý. Táto hodnota tiež zodpovedá minimálnej možnej hodnote poklesu napätia v priepustnom smere na tyristore.

Vetva IV predstavuje závislosť zvodového prúdu od spätného napätia. Keď spätné napätie prekročí hodnotu UBO, začne prudký nárast spätného prúdu spojený s poruchou tyristora. Povaha poruchy môže zodpovedať nevratnému procesu alebo procesu lavínového rozpadu, ktorý je súčasťou činnosti polovodičovej zenerovej diódy.

Tyristory sú najvýkonnejšie elektronické spínače, schopné spínať obvody s napätím do 5 kV a prúdmi do 5 kA pri frekvencii maximálne 1 kHz.

Konštrukcia tyristorov je znázornená na obr. 2.

Ryža. 2. Konštrukcia tyristorových boxov: a) — tableta; b) — špendlík

DC tyristor

Bežný tyristor sa zapne privedením prúdového impulzu do riadiaceho obvodu s kladnou polaritou vzhľadom na katódu. Trvanie prechodného javu pri zapínaní je výrazne ovplyvnené charakterom záťaže (aktívna, indukčná atď.), amplitúdou a rýchlosťou nárastu impulzu riadiaceho prúdu iG, teplotou polovodičovej štruktúry tyristora, aplikované napätie a zaťažovací prúd.V obvode obsahujúcom tyristor by nemali byť žiadne neprijateľné hodnoty rýchlosti nárastu dopredného napätia duAC / dt, kde môže dôjsť k spontánnej aktivácii tyristora pri absencii riadiaceho signálu iG a rýchlosti stúpanie z aktuálnej diA / dt. Zároveň musí byť strmosť riadiaceho signálu vysoká.

Medzi spôsobmi vypnutia tyristorov je obvyklé rozlišovať medzi prirodzeným vypnutím (alebo prirodzeným spínaním) a núteným (alebo umelým spínaním). Prirodzená komutácia nastáva, keď tyristory pracujú v striedavých obvodoch v okamihu, keď prúd klesne na nulu.

Spôsoby núteného spínania sú veľmi rozmanité.Najtypickejšie z nich sú nasledovné: pripojenie vopred nabitého kondenzátora C so spínačom S (obrázok 3, a); spojenie LC obvodu s vopred nabitým kondenzátorom CK (obrázok 3 b); použitie oscilačnej povahy prechodného procesu v zaťažovacom obvode (obrázok 3, c).

Ryža. 3. Spôsoby umelého spínania tyristorov: a) — pomocou nabitého kondenzátora C; b) — pomocou oscilačného výboja obvodu LC; c) — v dôsledku kolísavého charakteru nákladu

Pri prepínaní podľa schémy na obr. 3 a pripojenie spínacieho kondenzátora s obrátenou polaritou, napríklad k inému pomocnému tyristoru, spôsobí jeho vybitie do vodivého hlavného tyristora. Pretože vybíjací prúd kondenzátora je nasmerovaný proti doprednému prúdu tyristora, ten klesne na nulu a tyristor sa vypne.

V diagrame na obr. 3, b, zapojenie LC obvodu spôsobí kmitavý výboj spínacieho kondenzátora CK.V tomto prípade na začiatku preteká vybíjací prúd tyristorom opačným k jeho doprednému prúdu, keď sa vyrovnajú, tyristor sa vypne. Okrem toho prúd LC-obvodu prechádza z tyristora VS do diódy VD. Keď prúd slučky preteká diódou VD, na tyristor VS sa privedie spätné napätie rovnajúce sa poklesu napätia na otvorenej dióde.

V diagrame na obr. 3, pripojenie tyristora VS ku komplexnej záťaži RLC spôsobí prechodný jav. Pri určitých parametroch záťaže môže mať tento proces oscilačný charakter so zmenou polarity záťažového prúdu v. V tomto prípade sa po vypnutí tyristora VS rozsvieti dióda VD, ktorá začne viesť prúd opačná polarita. Niekedy sa tento spôsob spínania nazýva kvázi prirodzený, pretože zahŕňa zmenu polarity záťažového prúdu.

AC tyristor

Keď je tyristor pripojený k obvodu striedavého prúdu, sú možné nasledujúce operácie:

• zapínanie a vypínanie elektrického obvodu s aktívnou a aktívno-reaktívnou záťažou;

• zmena priemerných a efektívnych hodnôt prúdu cez záťaž vďaka tomu, že je možné nastaviť časovanie riadiaceho signálu.

Pretože tyristorový spínač je schopný viesť elektrický prúd iba v jednom smere, potom sa na použitie tyristorov so striedavým prúdom používa ich paralelné pripojenie (obr. 4, a).

Ryža. 4. Antiparalelné zapojenie tyristorov (a) a tvar prúdu pri aktívnej záťaži (b)

Priemerná a efektívny prúd sa menia v dôsledku zmeny času, v ktorom sú otváracie signály aplikované na tyristory VS1 a VS2, t.j. zmenou uhla a (obr. 4, b).Hodnoty tohto uhla pre tyristory VS1 a VS2 pri regulácii sú súčasne menené riadiacim systémom. Uhol sa nazýva riadiaci uhol alebo uhol zapaľovania tyristora.

Najpoužívanejšie vo výkonových elektronických zariadeniach sú fázové (obr. 4, a, b) a tyristorové riadenie so šírkou impulzu (obr. 4, c).

Ryža. 5. Typ záťažového napätia pri: a) — fázovom riadení tyristora; b) — fázové riadenie tyristora s nútenou komutáciou; c) — tyristorová regulácia šírky impulzu

Pri fázovom spôsobe tyristorového riadenia s nútenou komutáciou je možná regulácia záťažového prúdu zmenou uhla ? aj uhla ?... Umelé spínanie sa vykonáva pomocou špeciálnych uzlov alebo pomocou plne riadených (uzamykacích) tyristorov.

Pri riadení šírky impulzu (modulácia šírky impulzu — PWM) počas Totkr sa na tyristory privádza riadiaci signál, sú otvorené a na záťaž sa privádza napätie Un. Počas času Tacr chýba riadiaci signál a tyristory sú v nevodivom stave. RMS hodnota prúdu v záťaži

kde In.m. — zaťažovací prúd pri Tcl = 0.

Prúdová krivka v záťaži s fázovým riadením tyristorov je nesínusová, čo spôsobuje skreslenie tvaru napätia napájacej siete a poruchy v práci spotrebiteľov citlivých na vysokofrekvenčné rušenie - vzniká tzv. Elektromagnetická nekompatibilita.

Uzamykacie tyristory

Tyristory sú najvýkonnejšie elektronické spínače používané na spínanie vysokonapäťových, vysokoprúdových (vysokoprúdových) obvodov.Majú však významnú nevýhodu - neúplnú ovládateľnosť, ktorá sa prejavuje v tom, že na ich vypnutie je potrebné vytvoriť podmienky na zníženie dopredného prúdu na nulu. To v mnohých prípadoch obmedzuje a komplikuje použitie tyristorov.

Na odstránenie tohto nedostatku boli vyvinuté tyristory, ktoré sú zablokované signálom z riadiacej elektródy G. Takéto tyristory sa nazývajú hradlové tyristory (GTO) alebo duálna prevádzka.

Uzamykacie tyristory (ZT) majú štvorvrstvovú štruktúru p-p-p-p, no zároveň majú množstvo výrazných konštrukčných vlastností, ktoré im dávajú úplne odlišnú od tradičných tyristorov – vlastnosť plnej ovládateľnosti. Statická I-V charakteristika vypínacích tyristorov v priepustnom smere je totožná s I-V charakteristikou bežných tyristorov. Lock-in tyristor však zvyčajne nedokáže blokovať veľké spätné napätie a často je pripojený k antiparalelnej dióde. Okrem toho sa lock-in tyristory vyznačujú výraznými poklesmi napätia vpred. Na vypnutie blokovacieho tyristora je potrebné priviesť silný impulz záporného prúdu (približne 1:5 vo vzťahu k hodnote konštantného vypínacieho prúdu) do obvodu uzatváracej elektródy, avšak s krátkym trvaním (10- 100 μs).

Lock-in tyristory majú tiež nižšie vypínacie napätie a prúdy (asi o 20-30%) ako bežné tyristory.

Hlavné typy tyristorov

S výnimkou lock-in tyristorov bola vyvinutá široká škála tyristorov rôznych typov, líšiacich sa rýchlosťou, riadiacimi procesmi, smerom prúdov vo vodivom stave atď.Medzi nimi je potrebné poznamenať nasledujúce typy:

• tyristorová dióda, ktorá je ekvivalentná tyristoru s antiparalelne pripojenou diódou (obr. 6.12, a);

• diódový tyristor (dynistor), prepnutie do vodivého stavu pri prekročení určitej úrovne napätia, aplikovaný medzi A a C (obr. 6, b);

• blokovací tyristor (obr. 6.12, c);

• symetrický tyristor alebo triak, ktorý je ekvivalentný dvom antiparalelne zapojeným tyristorom (obr. 6.12, d);

• vysokorýchlostný invertorový tyristor (čas vypnutia 5-50 μs);

• poľný tyristor, napríklad založený na kombinácii MOS tranzistora s tyristorom;

• optický tyristor riadený svetelným tokom.

Ryža. 6. Bežné grafické označenie tyristorov: a) — tyristorová dióda; b) — diódový tyristor (dynistor); c) — blokovací tyristor; d) - triak

Tyristorová ochrana

Tyristory sú kritické zariadenia pre rýchlosť nárastu priepustného prúdu diA / dt a poklesu napätia duAC / dt. Tyristory, podobne ako diódy, sa vyznačujú fenoménom spätného zotavovacieho prúdu, ktorého prudký pokles na nulu zhoršuje možnosť prepätia s vysokou hodnotou duAC / dt. Takéto prepätia sú výsledkom náhleho prerušenia prúdu v indukčných prvkoch obvodu, vrátane malé indukčnosti inštalácia. Preto sa na ochranu tyristorov zvyčajne používajú rôzne schémy CFTCP, ktoré v dynamických režimoch poskytujú ochranu pred neprijateľnými hodnotami diA / dt a duAC / dt.

Vo väčšine prípadov je vnútorný indukčný odpor zdrojov napätia zahrnutých v obvode zahrnutého tyristora dostatočný na to, aby nebola zavedená žiadna dodatočná indukčnosť LS.Preto sú v praxi často potrebné CFT, ktoré znižujú úroveň a rýchlosť vypínacích prepätí (obr. 7).

Ryža. 7. Typický obvod tyristorovej ochrany

Na tento účel sa zvyčajne používajú RC obvody zapojené paralelne s tyristorom. Existujú rôzne obvodové modifikácie RC obvodov a spôsoby výpočtu ich parametrov pre rôzne podmienky použitia tyristorov.

Pre lock-in tyristory sa používajú obvody na vytvorenie spínacej cesty, podobne ako v obvode tranzistorov CFTT.