Тиристорный регулятор нагрузки (рис. 5) может использоваться для включения и выключения нагрузки с помощью одной из многих последовательно соединенных кнопок, действующих на автоматический выключатель. Принцип работы тиристорного переключателя заключается в следующем.
Схемы управления тиристорами на постоянном токе
Тиристоры часто используются для включения и выключения нагрузки (ламп, обмоток реле, двигателей и т.д.). Характерной особенностью этого типа полупроводникового прибора и его главным отличием от транзисторов является то, что он имеет два устойчивых состояния без промежуточных состояний.
Это состояние «включено», когда сопротивление полупроводникового прибора минимально, и состояние «выключено», когда сопротивление тиристора максимально. В идеале эти сопротивления стремятся к нулю или бесконечности.
Достаточно подать управляющее напряжение на управляющий электрод тиристора, чтобы включить его, по крайней мере, на короткое время. Тиристоры могут быть деактивированы (отключены) путем кратковременного отключения питания тиристора, изменения полярности напряжения питания или уменьшения тока в нагрузке ниже тока удержания тиристора.
Тиристорные переключатели обычно включаются и выключаются двумя кнопками. Однокнопочные тиристорные регуляторы встречаются гораздо реже.
Здесь подробно описаны методы управления одноклавишными тиристорными выключателями. Однокнопочное тиристорное управление основано на динамических процессах заряда-разряда в цепи управления тиристором EW 4/01-299.
Схема однокнопочного управления тиристором
На рисунке 1 показана одна из простейших схем управления тиристором с одной кнопкой. В схеме (ниже) используется кнопка без фиксации. В исходном состоянии размыкающие контакты кнопки замыкают цепь управления тиристором.
Сопротивление тиристора максимально, а нагрузка не является токоведущей. Схемы основных процессов в схеме рис. 1 показаны на рис. 2.
Для включения тиристора нажмите кнопку SB1. При этом нагрузка подключается к источнику питания через контакты кнопки SB1 и заряжает конденсатор C1 от источника питания через резистор R1.
Скорость зарядки конденсатора определяется постоянной времени цепи R1C1 (см. схему). После отпускания кнопки конденсатор C1 разряжается на управляющем электроде тиристора. Если напряжение на противоположной стороне равно или больше напряжения активации тиристора, тиристор открывается.
Рисунок 1: Схематическое изображение однокнопочного тиристорного управления.
Рисунок 2. Схематическое изображение основных операций в тиристорной цепи.
Нагрузку можно выключить (OFF), кратковременно нажав кнопку SB1. В этом случае конденсатор C1 не успевает зарядиться. Поскольку контакты кнопки перемыкают электроды тиристора (анод — катод), это эквивалентно выключению источника питания тиристора. В результате нагрузка отключается.
Таким образом, чтобы включить устройство, нужно дольше нажимать на кнопку управления, а чтобы выключить, нужно снова коротко нажать на ту же кнопку.
Простые силовые ключи на тиристорах
На рис. 3 и 4 показаны варианты идеи схемы, показанной на рис. 1. На рис. 3 для ограничения максимального напряжения зарядки конденсатора используется цепочка последовательно соединенных диодов VD1 и VD2.
Рис. 3. Вариант схемы управления однокнопочным тиристором.
Это может значительно снизить рабочее напряжение (до 1,5-3 В) и емкость конденсатора C1. В следующей схеме (рис. 4) резистор R1 подключен последовательно с нагрузкой для создания двухполюсного переключателя нагрузки. Сопротивление нагрузки должно быть намного меньше сопротивления R1.
Рисунок 4. Схема электронного переключателя в тиристоре с последовательно подключенной нагрузкой.
Рисунок 3: KN1 — выключатель с фиксацией; D1 — любой диод под высоким напряжением; R1, R2 — постоянные резисторы 180 Ом и 1 кОм; L1 — лампа накаливания 100 Вт.
Устройство тиристора
Определение стабильного состояния устройства возможно благодаря определенным особенностям во внутренней структуре устройства. Приведенная ниже диаграмма иллюстрирует это:
Из этой структуры видно, что тиристор состоит из 2 простых электронных транзисторов, которые не похожи по структуре, но соединены вместе. Кроме того, следующие три разъема играют важную роль в составе полупроводникового электрического устройства:
- Катод,
- анод,
- Контрольный электрод.
Поскольку тиристор состоит из четырех последовательно соединенных диодов, его слой спая имеет вид (p) — (n) — (p) — (n). Этот факт объясняет пропускную способность I, которая течет только в одном направлении: от плюса к минусу.
Для описания внешнего вида тиристоров следует сказать, что они изготавливаются в различных корпусах, поэтому возможность простого отвода тепла исключена, но они могут выдерживать большие токи благодаря прочному металлическому корпусу.
Принцип работы тиристора
Что касается принципа действия, то, как уже упоминалось, устройство можно сравнить с электронным переключателем, поскольку оба могут проводить ток только в одном направлении (от анода к катоду). Обратите внимание, однако, что это возможно только в фиксированном положении «открыто».
Теперь давайте рассмотрим непосредственно механизм действия тиристора. Начальное состояние устройства — «закрыто». Признаком или сигналом начала процесса перехода «открыто» является появление напряжения между положительным электродом и управляющей клеммой. Обратный эффект можно отменить следующими методами:
- снижая давление,
- снижение давления путем понижения уровня тока.
Для структур с ненаправленным током используется второй вариант. Но этому есть объяснение, поскольку переменный ток в сети имеет синусоидальную форму, где его величина стремится к нулю и очень часто равна нулю. Если говорить о структурах постоянного тока, то первая является более распространенной.
Раскрытое и замкнутое положение
Итак, мы поняли, что принцип работы отличается. В структурах постоянного тока после кратковременного повышения напряжения происходит переход из исходного состояния в состояние «открыто». Далее рассматриваются два возможных варианта:
- Состояние «открыто» может сохраняться даже после снятия управляющего напряжения на анодном выходе. Это возможно, если «U», подаваемое на управляющий выход анода, больше, чем «U», которое его открывает. Протекание тока через устройство эффективно прерывается только путем разрыва цепи или прерывания электропитания (оба действия должны быть кратковременными). Потому что ток больше не течет (когда цепь восстановлена). Для восстановления тока необходимо снова включить источник питания.
- Сразу после снятия напряжения устройство переключается в положение «Выключено».
Таким образом, в системах, где ток постоянен, существует несколько способов управления нашим устройством:
- Поддержание состояния «включено»,
- Полная противоположность первому методу.
Стоит отметить, что метод 1 является наиболее часто используемым. Условия работы тиристора в устройствах, где напряжение не равно постоянному, отличаются. Возврат в исходное положение происходит автоматически, т.е. путем уменьшения тока питания. Если напряжения на плюсовой и минусовой сторонах прикладываются часто, на выходе возникает ток P с определенной частотой. Именно таким образом построены импульсные системы питания, которые способны модулировать синусоидальную кривую на P.
Основные параметры тиристора
Теперь пришло время разобраться в основных параметрах тиристора. Они, безусловно, важны и требуют понимания.
Начнем с открытого постоянного управляющего напряжения «Vy» — это минимальное постоянное напряжение на управляющем электроде. «Vy» вызывает определенный переход тиристора из положения «закрыто» в положение «открыто». Таким образом, наличие постоянного напряжения открытия объясняет открытие устройства и наличие постоянного или переменного тока в цепи.
Вторым важным параметром является значение блокирующего напряжения «V open max». Этот пункт указывает значение напряжения, которое является средним значением тока. «I cp» указывает, какой ток может протекать через полупроводниковый прибор.
Тиристор, электронный элемент из полупроводниковых материалов, может состоять из трех или более p-n контактов и имеет два устойчивых состояния: закрытое (низкая проводимость), открытое (высокая проводимость).
Простые силовые ключи на тиристорах
На рис. 3 и 4 показаны варианты идеи схемы, показанной на рис. 1. На рис. 3 для ограничения максимального напряжения зарядки конденсатора используется цепочка последовательно соединенных диодов VD1 и VD2.
Рис. 3. Вариант схемы управления однокнопочным тиристором.
Это может значительно снизить рабочее напряжение (до 1,5-3 В) и емкость конденсатора C1. В следующей схеме (рис. 4) резистор R1 подключен последовательно с нагрузкой для создания двухполюсного переключателя нагрузки. Сопротивление нагрузки должно быть намного меньше сопротивления R1.
Рисунок 4. Схема электронного переключателя в тиристоре с последовательно подключенной нагрузкой.
Тиристорный коммутатор с двумя кнопками
Тиристорный регулятор нагрузки (рис. 5) может использоваться для включения и выключения нагрузки с помощью одной из многих последовательно соединенных кнопок, действующих на автоматический выключатель. Принцип работы тиристорного переключателя заключается в следующем.
Когда устройство находится под напряжением, напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора, недостаточно для его включения. Тиристор, а значит и нагрузка, отключается. Когда одна из клавиш SB1 — SBn нажата (и удерживается), конденсатор C1 заряжается от источника питания через резистор R1. Схема управления тиристором и сам тиристор выключены.
Рисунок 5. Схема простого тиристорного выключателя нагрузки с двумя кнопками.
После отпускания кнопки и восстановления цепи тиристора энергия, накопленная в конденсаторе C1, подается на управляющий электрод тиристора. Разрядка конденсатора через управляющий электрод приводит к активации тиристора, подключая нагрузку к цепи питания.
Чтобы выключить тиристор (и нагрузку), кратковременно нажмите одну из кнопок SB1 — SBn. Конденсатор C1 не успевает зарядиться. В то же время цепь тиристора размыкается и тиристор отключается.
Величина резистора R2 зависит от напряжения питания устройства: при 15 В его сопротивление составляет 10 кОм, при 9 В — 3,3 кОм, при 5 6-1,2 кОм.
Схема с эквивалентом тиристора на транзисторах
Если вместо тиристора использовать аналог транзистора (рис. 6), то значение этого резистора меняется с 240 кОм (15 В) до 16 кОм (9 В) или до 4,7 кОм (5 В).
Рис. 6. Принципиальная схема электронного выключателя нагрузки с транзисторным эквивалентом тиристора.
Тиристор, электронный элемент из полупроводниковых материалов, может состоять из трех или более p-n контактов и имеет два устойчивых состояния: закрытое (низкая проводимость), открытое (высокая проводимость).
Характеристики
Наиболее важными характеристиками являются следующие:
-
Максимально допустимый прямой ток — это максимально возможный ток открытого элемента,
- Максимально допустимый обратный ток — ток при максимальном обратном напряжении,
- Напряжение постоянного тока — падение напряжения при максимальном токе,
- Инверсное напряжение — наибольшее допустимое значение напряжения в закрытом состоянии,
- Напряжение активации — это наименьшее напряжение, при котором поддерживается работа электронного устройства,
- Минимальный и максимальный ток контрольного электрода,
- Максимально допустимая рассеиваемая мощность.
Эти элементы, наряду с электронными переключателями, часто используются в регуляторах мощности, которые изменяют мощность, подаваемую на нагрузку, путем изменения среднего и действительного значений переменного тока. Управление током осуществляется путем изменения момента открытия тиристора (изменение угла открытия). Угол открытия — это время от полуцикла до открытия тиристора.
Типы данных электронных компонентов
Существует множество различных типов тиристоров, но наиболее распространенными, помимо упомянутых выше, являются следующие
- Динистор — элемент, который переключается при достижении определенного значения напряжения между анодом и катодом,
- Симистор,
- Оптотиристор, который активируется световым сигналом.
Симисторы
Мы хотели бы рассмотреть симисторы более подробно. Как упоминалось ранее, симисторы могут проводить ток только в одном направлении. Таким образом, если они установлены в цепи переменного тока, эта цепь регулирует половину периода сетевого напряжения. Чтобы регулировать оба полупериода, необходимо параллельно подключить еще один тиристор или использовать специальные схемы с мощными диодами или диодными мостами. Это делает схему более сложной, громоздкой и ненадежной.
Именно здесь был изобретен симистор. Давайте поговорим об этом и о том, как это работает, для чайников. Основное отличие симистора от вышеперечисленных заключается в его способности проводить ток в обоих направлениях. По сути, это два тиристора с общим управлением, соединенные параллельно (Рисунок 3A).
Условное обозначение этого электронного элемента показано на рисунке 3B. Следует отметить, что было бы неправильно называть провода питания анодом и катодом, поскольку ток может течь в обоих направлениях, поэтому они обозначаются как T1 и T2. Контрольный электрод обозначается G. Чтобы включить симистор, необходимо подать управляющий сигнал на соответствующую клемму. Условия перехода из одного состояния в другое и наоборот в сетях переменного тока не отличаются от описанных выше методов управления.
Этот тип электронных компонентов используется в промышленных и бытовых приборах, а также в электроинструментах для равномерного контроля тока. Он используется для управления электродвигателями, нагревательными элементами и зарядными устройствами.
В итоге, хотя и тиристоры, и симисторы коммутируют значительные токи, они очень малы и выделяют значительное тепло в своих корпусах. Проще говоря, они сильно нагреваются, поэтому для защиты элементов от перегрева и теплового пробоя используется теплоотвод, который в простейшем случае представляет собой алюминиевый теплоотвод.
Очевидно, что тиристор — это достаточно эффективное электрическое устройство, которое сегодня пользуется большим спросом. Вы можете спросить себя: «Где я могу его приобрести?».
Тиристор в цепи постоянного напряжения
Пока на схему подается постоянное напряжение, тиристор эффективен в качестве переключателя для большой нагрузки. В этом случае устройство ведет себя как электронная блокировка, поскольку после включения оно остается в состоянии «включено» до тех пор, пока это состояние не будет сброшено вручную. Давайте рассмотрим практическую схему.
Рисунок 1: KN1, KN2 — кнопка без блокировки; L1 — зарядка от лампы накаливания 100 Вт; R1, R2 — постоянные резисторы 470 Ω и 1 кОм.
Эта простая схема включения/выключения используется для управления лампами накаливания. Однако его, безусловно, можно использовать в качестве выключателя для двигателей, нагревателей и других нагрузок, работающих на постоянном токе.
Здесь тиристор имеет непосредственно переключаемое переходное состояние и замыкается нормально разомкнутой кнопкой KN1. С помощью этой кнопки управляющий электрод U подключается к источнику питания через резистор R1. Если значение R1 слишком велико по отношению к напряжению питания, устройство не включится.
Как только ключ KN1 активирован (нажат), тиристор переключается в состояние прямого провода и остается в этом состоянии независимо от дальнейшего положения ключа KN1. В этом случае составляющая тока нагрузки имеет большее значение, чем стабилизирующий ток тиристора.
Преимущества и недостатки использования тиристора
Одним из основных преимуществ использования этих полупроводников в качестве переключателей является очень высокий коэффициент усиления по току. Тиристор — это устройство, управляемое током.
Катодный резистор R2 обычно включается для снижения чувствительности электрода Y и увеличения вольт-токовой характеристики, что предотвращает ложное срабатывание устройства.
Если тиристор заблокирован и остается во включенном состоянии, его можно сбросить до минимального значения удержания только путем отключения питания или уменьшения анодного тока. Поэтому полезно использовать нормально закрытую кнопку KN2 для размыкания цепи, уменьшая ток, протекающий через тиристор, до нуля и переводя устройство в состояние «выключено».
Однако у этой схемы есть один недостаток. Механический размыкающий контакт KN2 должен быть достаточно сильным — в зависимости от мощности всей цепи. В принципе, можно было бы просто заменить полупроводник мощным механическим переключателем. Один из способов решения проблемы питания — подключить выключатель параллельно тиристору.
Рисунок 2: KN1, KN2 — немонтированная кнопка; L1 — лампа накаливания 100 Вт; R1, R2 — резисторы 470 Ом и 1 кОм.
Усовершенствование системы — включение нормально разомкнутого маломощного переключателя параллельно с переходом A-K — приводит к следующему результату:
- Активация KN2 создает «короткое замыкание» между электродами A и K,
- ток блокировки снижается до минимального значения,
- устройство переходит в состояние «выключено».
Тиристоры в цепи переменного тока
При подключении к источнику переменного тока тиристор работает несколько иначе. Это происходит из-за периодической смены полярности переменного напряжения. Поэтому при использовании в цепях переменного тока автоматически изменяется полярность подключения. Это означает, что в течение половины каждого цикла устройство находится в выключенном состоянии.
В версии для переменного тока схема запуска тиристора аналогична версии для постоянного тока. Разница незначительна — нет дополнительного переключателя KN2 и дополнительного диода D1. Диод D1 предотвращает появление обратного напряжения на управляющем электроде U.
При положительном полупериоде синусоидальной формы волны устройство движется прямо. Однако, когда переключатель KN1 замкнут, ток затвора тиристора равен нулю, и устройство остается «закрытым». В отрицательном полуцикле устройство имеет обратную полярность, а также остается «выключенным» независимо от состояния переключателя KN1.
Рисунок 3: KN1 — выключатель с фиксацией; D1 — любой диод под высоким напряжением; R1, R2 — резисторы — постоянные 180 Ω и 1 кОм, L1 — лампа накаливания 100 Вт.
Когда переключатель KN1 замкнут, полупроводник остается полностью «закрытым» в начале каждого положительного полуцикла. Однако после достижения достаточно положительного напряжения активации (увеличения тока управления) на электроде U, тиристор переходит в состояние «включено».
Состояние ожидания остается постоянным в течение положительного полуцикла и автоматически сбрасывается по окончании положительного полуцикла. Очевидный момент, учитывая, что анодный ток падает ниже текущего значения. В момент следующего отрицательного полуцикла устройство полностью «выключено» до прихода следующего положительного полуцикла. Затем процесс повторяется еще раз.
Таким образом, для нагрузки доступна только половина мощности сети. Тиристор действует как выпрямительный диод и отключает переменный ток только во время положительных полупериодов, когда клемма смещена в прямом направлении.
Тиристоры и управление половинной волной
Тиристорное фазовое управление является наиболее распространенной формой управления переменным током. Пример базовой схемы управления фазой показан ниже. Здесь напряжение на затворе тиристора формируется цепью R1C1 через триггерный диод D1.
В момент положительного полуперехода, когда клемма находится в прямом направлении, конденсатор C1 заряжается через резистор R1 напряжением питания схемы. Управляющий электрод U активируется только тогда, когда уровень напряжения в точке «x» вызывает включение диода D1.
Конденсатор C1 разряжается на управляющем электроде U, что переводит устройство в состояние «включено». Длительность положительной полуволны при размыкании цепи регулируется постоянной времени цепи R1C1, которая устанавливается переменным резистором R1.
Рисунок 4: KN1 — выключатель с фиксацией; R1 — переменный резистор 1 кОм; C1 — конденсатор 0,1 мкф; D1 — любой высоковольтный диод; L1 — лампа накаливания 100 Вт; P — синусоидальная линия.
При коммутации по схеме на рис. 3 подключение коммутационного конденсатора с обратной полярностью, например, от другого вспомогательного тиристора, приводит к его разряду в проводящем главном тиристоре. Поскольку ток разряда конденсатора противоположен прямому току тиристора, тиристор сбрасывается в ноль и выключается.
Защита тиристоров
Тиристоры — это компоненты, которые определяют скорость нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристоры, как и диоды, по своей природе подвержены влиянию обратного тока, резкое падение которого до нуля увеличивает вероятность высоких перенапряжений duAC/dt. Такие перенапряжения являются результатом резкого падения тока в индуктивных коммутационных элементах, включая небольшие установочные дроссели. Поэтому различные схемы TFTP часто используются для защиты тиристоров от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt в динамических ситуациях.
В большинстве случаев внутренняя индуктивность источников напряжения, включенных в тиристорную схему, достаточна, чтобы избежать введения дополнительной индуктивности LS. Поэтому на практике TFTP чаще всего требуются для уменьшения величины и скорости скачков тока при выключении (рис. 7).
Рисунок 7. Типичная схема защиты тиристора.
Для этой цели обычно используются RC-цепи, соединенные параллельно с тиристором. Существуют различные схемные модификации RC-цепей и методы расчета их параметров для различных условий работы тиристоров.
В затворных тиристорах используются схемы формирования коммутационного тракта, схожие по схеме с транзисторами ТФТП.
Этот фактор показывает, что в отличие от биполярных транзисторов и полевых транзисторов, тиристоры не могут быть использованы для усиления или управляемого переключения.
Классификационные признаки
В зависимости от метода управления тиристоры различают следующим образом:
Диодные (динисторы)
Активируется импульсом высокого напряжения, подаваемого на анод и катод. Конструкция состоит из 2 электродов, без контрольного электрода.
Триодные (тринисторы)
Есть два электрода без электрода, у одного нет электрода, а у другого есть электрод. Первый имеет управляющее напряжение, приложенное к катоду и управляющему электроду, второй имеет анод и управляющий электрод.
Симисторы
Они действуют как два тиристора, соединенных параллельно.
Оптотиристоры
Их функцию выполняет поток света. Функцию управляющего электрода берет на себя фотоэлемент.
Тиристоры различают в зависимости от их обратной проводимости:
- Обратная проводимость,
- Обратная проводимость,
- Тиристоры с непроводящим обратным напряжением,
- Тиристоры, пропускающие ток в обоих направлениях.
Применение тиристора
Тиристоры можно использовать для самых разных целей; очень популярны, например, сварочный инвертор для домашнего использования с тиристором, автомобильное зарядное устройство (тиристор для питания) и даже генератор. Поскольку само устройство может пропускать как низкочастотные, так и высокочастотные нагрузки, его также можно использовать в качестве трансформатора для сварочных аппаратов (в их мосте используются именно такие компоненты). Затем для управления работой компонента требуется регулятор напряжения на тиристоре.
Фото — Применение тиристора вместо ЛАТП
Не стоит забывать и о тиристорах для зажигания мотоциклов.
Схема включения
Причину необходимости использования тиристоров можно понять, если знать принцип их работы. Для этого полезно рассмотреть включение элемента в простейшую схему. В этой схеме тиристор используется в качестве электронного ключа.
К аноду тиристора подключена лампа L, которая служит нагрузочным резистором. Положительный полюс источника питания GB подключается к нему через ключ К2, а его отрицательный полюс — к катоду полупроводникового элемента. На управляющий электрод подается ток через ограничительный резистор R и кнопку K1.
Когда переключатель К2 замкнут, к аноду и катоду полупроводника прикладывается напряжение, равное величине питания ЭЭД. При этом устройство блокируется, ток через него не проходит и лампа не загорается. Тиристор должен быть открыт, чтобы ток протекал через цепь VS — L.
Дальнейшие нажатия кнопки K1 не влияют на состояние цепи. Чтобы выключить лампу, необходимо разомкнуть цепь клавишей K2 или прервать подачу питания. Однако тиристор также может быть выключен, когда анодное напряжение падает до определенного значения, которое определяется параметрами тиристора.
Таким образом, тиристор — это полупроводниковый элемент, который используется в схемах в качестве электронного ключа. Это возможно благодаря свойствам p-n-переходов. Хотя устройство коммутирует большие токи, само оно имеет небольшие размеры, а его корпус способен выдерживать значительное тепловыделение. Однако во избежание повреждения в результате теплового удара вместе с элементом часто используется теплоотвод — либо простая алюминиевая пластина, либо массивный теплоотвод, в зависимости от мощности нагрузки.
