Елемент керованих випрямлячів - тиристор

 

У джерелах живлення тиристор використовується для регулювання (стабілізації) напруги в керованих випрямлячах і стабілізаторах напруги в колі змінного струму. Зміна фази подачі керуючого імпульсу на тиристор по відношенню до точки "природною" комутації (комутація в некерованих випрямлячах) змінює рівень напруги на навантаженні. Крім того, тиристор знайшов широке застосування в захисних пристроях.

Т
ірістор має чотиришарову структуру з трьома p - n переходами. Його швидке включення при подачі імпульсу управління (по відношенню до катода або анода) забезпечується внутрішньої, позитивним зворотним зв'язком по струму. При надходженні U _УПР на базу VT2 збільшується колекторний струм I _К2, що приводить до зростання струму бази транзистора VT1 і збільшенню його колекторного струму I _К1, відбувається лавинної відкривання тиристора.

На вольт-амперної характеристиці тиристора (ВАХ) ділянка ОА відповідає відкритим переходам П1 і П3 і закритому переходу П2, до тиристору прикладається пряме позитивне напруга U _ПР і відсутня імпульс управління на керуючому електроді (УЕ), що відповідає закритому стану напівпровідника. Ділянка БВ відповідає ВАХ напівпровідникового діода, коли всі p - n переходи відкриті. Напруга U _{пр max} відповідає діністорному режиму, коли відкривання тиристора відбувається при досягнення граничного значення прямої напруги (U _{пр max)} і струмі управління рівним нулю. Це дозволяє управляти включенням тиристора без використання системи управління. Ділянка ОГ ВАХ відповідає відкритому переходу П2 і закритим переходам П1 і П3. Для забезпечення гарантованого включення тиристора необхідно підібрати по потужності і тривалості сигнал управління тиристором. Якщо значення прямої напруги U _ПР мало, то необхідно збільшити керуючий струм I _У (дивися ВАХ тиристора).

^ Умовою включення тиристора є подача позитивного імпульсу управління на УЕ з певною тривалістю (з урахуванням часу включення тиристора) при позитивному прямій напрузі між анодом (А) і катодом (К). Умовою виключення тиристора є зниження прямого струму нижче рівня струму утримання (I _УД) - точка Б, який досить малий. При вимиканні тиристора необхідно витримати час, необхідний для гарантованого його виключення (час вимикання тиристора досить велика і складає кілька десятків мкс). Для виключення тиристора також досить прикласти зворотну напругу або знизити струм в ланцюзі анода до нуля.

На малюнку зображена ^ ВАХ керуючого переходу тиристора:

 

Заштрихована область ВАХ відповідає межам допустимої потужності сигналу керування для забезпечення гарантованого відмикання тиристора. Нижні межі враховують температуру напівпровідникового елемента. В залежності від тривалості управляючого сигналу змінюється верхня межа допустимої потужності сигналу (P _ДОП). Друга ВАХ визначає межі максимальної температури та мінімального опору керуючого pn переходу, перша ВАХ визначає межі мінімальної температури і максимального опору керуючого p-n переходу.

Існують вимоги до динамічних параметрах тиристора: швидкості зміни прямого струму тиристора di _пр / dt і швидкості зміни прямої напруги тиристора dU _пр / dt. Для обмеження швидкості зміни струму послідовно з тиристором включають зрівняльний реактор. Досить одного витка в дроселі, щоб обмежити швидкість наростання струму, тому на провідник надівається ферритові кільце.

При збільшенні швидкості зміни прямого напруги Uпр, може виникнути мимовільне включення елемента.

Д
ля обмеження швидкості наростання прямого напруги паралельно тиристору включається RVDC-ланцюг. Конденсатор обмежує рівень сплесків напруги, що виключає виникнення аварійного режиму (перенапруги), а діод забезпечує швидкий розряд конденсатора при відкриванні тиристора.

На малюнку показана схема, що формує керуючий сигнал для тиристора.

Трансформатор T забезпечує гальванічну розв'язку силового ланцюга і системи управління та підвищує рівень напруги керуючого сигналу, транзистор збільшує потужність сигналу. При подачі керуючого імпульсу з системи управління на транзисторний ключ VT1 протікає струм по контуру: "+" U _1; первинна ланцюг трансформатора Т; колектор-емітер VT1; "-" U _1. У ланцюзі намагнічення трансформатора T накопичується реактивна енергія, яка викликає появи негативного викиду напруги в формі імпульсу управління. Індуктивність розсіювання і ємністю колекторного переходу VT1 призводять до появи сплесків напруги на "передньому фронті" імпульсу управління (перехідний процес). Щоб уникнути "помилкового" включення тиристора у вторинному ланцюзі трансформатора встановлені: випрямний діод VD1 і захисний діод VD2.

^ Симетричний керований випрямляч (однофазний, двотактний)

Н
а малюнку показана принципова схема симетричного керованого випрямляча і тимчасові діаграми струмів і напруг.

На інтервалі часу [0; p] до тиристорам VS1 і VS4 докладено пряме позитивне напруга. У момент часу a 1 на керуючий електрод цих тиристорів подається імпульс управління. Тиристори відкриваються і напруга U2 передається в навантаження. При роботі на активне навантаження в момент p (через зниження анодного струму нижче струму утримання) відбувається запирання тиристорів VS1 і VS4. На інтервалі [p; p + a 2] в навантаженні напруга дорівнює нулю, тому відбувається затримка подачі управлющего імпульсу на кут a 2.

При роботі на індуктивне навантаження (ключ S розімкнений) на інтервалі [p; p + a 2] негативна напруга U2 передається в навантаження. Струм в ланцюзі випрямляча (I _L) має позитивне значення і тиристори VS1, VS4 залишаються у відкритому стані; тиристори VS2, VS3 не відкрилися, тому на них не надійшли керуючі імпульси. На цьому інтервалі відбувається рекуперація реактивної енергії дроселя в джерело U _1. Цей режим називається інверторним режимом роботи випрямляча. Поява негативного "викиду" напруги в складі випрямленої напруги знижує його рівень. Для виключення цього явища використовують зворотний діод, включений паралельно навантаженні або переходять до несиметричної схемою випрямлення.

^