Контрольні запитання

1. Дати визначення тиристора та вказати його основні властивості.

10. Перерахувати типи тиристорів та показати їх схематичне позначення.

11. В чому полягає особливість роботи тиристора в колі змінного струму?

12. В чому полягає особливість роботи тиристора в колі постійного струму?

13. Наведіть області застосування тиристорів.

Короткі теоретичні відомості

Тиристором називають прилад з чотирма напівпровідниковими прошарками, що утворюють три p-n-переходи; і який тривалий час може знаходитись в одному із стійких станів — відкритому (ввімкненому) або закритому (вимкненому). Існують тришарові та п’ятишарові структури тиристорів, але це прилади спеціального призначення і в даній роботі вони не розглядаються.

Рисунок 2.

Найбільше розповсюдження отримали так звані звичайні тиристори, або триністори, з трьома вивідними електродами: анодом, катодом та керуючим електродом (див мал. 2а)

На основі чотиришарових структур виготовляють також тиристори з двома електродами — анодом та катодом. Такий прилад називають диністором і він вмикається шляхом підвищення анодної напруги, при її певному рівні.

Існують також двоопераційні тиристори, тобто прилади які вмикаються і вимикаються по колу керуючого електрода (див. мал. 2,б).

Для вимкнення звичайного тиристора потрібно або розімкнути коло його анодного струму або змінити полярність напруги ліній між анодом та катодом. Вимкнути звичайний тиристор по колу керуючого електрода неможливо.

На перший погляд, застосування двоопераційного тиристора більш раціональне, але воно стримується дуже низьким коефіцієнтом підсилення струму вимкнення. В кращих випадках, для вимкнення двоопераційного тиристора потрібен імпульс струму в колі керуючого електрода, який за амплітудою лише в 5-6 разів менший від анодного. Для формування таких імпульсів потрібні спеціальні кола з використанням потужних транзисторів та накопичувальних елементів, що робить експлуатацію пристроїв на двоопераційних тиристорах в потужних та надпотужних пристроях економічно невигідною. В теперішній час розроблені та виготовлені повністю керовані тиристори на струм 3000 А і напругу 4500 В. Такі тиристори, при одночасному використанні сучасних надвеликих інтегральних схем, є конкурентноздатними по відношенню до звичайних і витісняють останніх в пристроях до 1000 кВт.

Головним недоліком GTO є значний рівень спаду напруги у відкритому стані. Рівень цієї напруги складає 4 В, той же параметр для SCR складає 1,9 В.

Неповністю керовані, або звичайні тиристори — високонадійні прилади, котрі широко використовуються в електроенергетиці. Їх головне застосування — безконтактні вимикачі для різноманітних електричних та електронних пристроїв. Наприклад, вони використовуються в керованих випрямлячах, компенсаторах реактивної потужності, в регуляторах потужності, в атомних інверторах і імпульсних перетворювачах та ін. Сучасні тиристори здатні пропустити струм 4500 А та витримувати напругу 1000 В.

Розглянемо роботу тиристора в колі змінного струму. Робоча схема та її миттєві діаграми зображені на рис. 3.

В лабораторному макеті використовується найпростіша схема керування, коли частина анодної напруги по колу: анод VT — діод VD — R_у - керуючий електрод — створює потрібний для вмикання струм І_у (див. схему рис. 3а). Особливістю цієї схеми є неповне фазове керування, тобто кут вмикання α тиристора може змінюватися лише в межах від 0 до .

Рисунок 3.

Пояснюється це наступним чином. Тиристор — миттєво діючий прилад і його вмикання триває одиниці мікросекунд. Тому, при роботі в колі змінного струму промислвої частоти його вмикання здійснюється миттєвим значенням анодної напруги. Причому, тиристор увімкнеться лише тоді, коли струм І_у досягне певного рівня І_уmin. Якщо регулювати опір резистора R_у, то при його певному значенні потрібний струм І_уmin встановлюється з моменту t₁ , тобто

(1)

де α₁=wt₁ — кут вмикання тиристора.

Миттєве значення U₁ доцільно визначати через амплітуду Um та кут α, як це зроблено у виразі (1).

В розглянутій схемі тиристор приймається за ідеальний електричний ключ, тобто пряме падіння напруги на ньому та зворотній струм утічки приймаються рівними нулю. Тому, з вмиканням тиристора, напруга на навантаженні стрибком досягає миттєвого значення U₁ напруги живлення (точка 1 на діаграмах рис. 3) і дорівнює їй до зміни знаку Е.Р.С. джерела живлення. В момент зміни знаку тиристор вимикається і напруга на навантаженні зникає. Так як навантаження носить активний характер, то форма струму і напруги на ньому співпадають.

До вмикання тиристора його опір був максимальний і вся напруга джерела живлення прикладалась до нього. В момент вмикання, його опір стрибком спадає до нуля і напруга на тиристорі відсутня (див. діаграму мал. 3,в).

Рисунок 4. а) Регулювання середнього значення напруги на навантаженні шляхом зміни моменту вмикання тиристора.

б) Залежність середньої напруги від кута α вмикання тиристора.

Якщо збільшити опір R_у, то рівня напруги U₁ стає недостатньо для отримання струму I_ymin і тиристор ввімкнеться з деякою затримкою, котра забезпечує потрібне зростання миттєвої напруги. Як наслідок, тиристор ввімкнеться в момент t₂, якому відповідає кут α₂ (див. мал. 4). Таким чином, пропорційно зростанню R_у повинен зростати чисельник у виразі (1). Його максимальне значення досягається при α=π/2 і вираз (1) приймає вигляд:

(2)

Тобто опір R_max є максимально можливим, що забезпечує вмикання тиристора. Якщо він зросте понад вказану величину, то тиристор не ввімкнеться, тому що рівня напруги U_m cтане замало для отримання струму I_ymin.

Обмеження кута α є недоліком розглянутої схеми. В разі необхідності виготовляється більш складна система керування, що забезпечує повне фазове керування роботою тиристора.

З діаграм рисунків 3 та 4 видно, що тиристор є регулюючим елементом. Якщо паралельно навантаженню ввімкнути вольтметр магнітно-електричної системи, то зі зміною кута α будуть змінюватись покази вольтметра. Пропорційно буде змінюватися і струм навантаження. Як відомо, середнє значення напруги (постійна складова) визначається площею сигналу, яка залежить, в даному випадку, від моменту вмикання тиристора. Тобто постійна складова напруги U_d найбільше залежить від кута α. Зв’язок між цими величинами встановлюється шляхом визначення площі частини напівперіоду, прикладеного до навантаження і віднесеної до періоду повторення 2π.

Керуючись вищеозначеним і ввівши заміну wt=θ, одержимо:

(3)

де U — діюче значення напруги джерела живлення;

U_d0 — постійна складова напруги навантаження для α=0.

Вираз (3) встановлює функціональний зв’язок між постійною напругою на навантаженні та кутом вмикання тиристора. Це так звана регулювальна характеристика тиристора, котрий працює в схемі одноконтактного однонапівперіодного керованого випрямляча. Вигляд цієї характеристики зображено на рис. 4б.

Постійна складова струму навантаження визначається за законом Ома, тобто

Таким чином, регулюючі якості тиристора в колі змінного струму визначаються не шляхом регулювання його опору, а за рахунок зміни моменту його вмикання, що змінює площу напівперіодів, прикладених до навантаження.

При вмиканні тиристора в коло постійного струму, для збереження його регулюючих та перемикаючих функцій, він повинен періодично вмикатись і вимикатись. Особливістю його роботи в такому випадку є потреба в спеціальних вимикаючих або комутуючих пристроях. Якщо полярність напруги на аноді тиристора не змінюється на протилежну, то після вмикання він може знаходитися в такому стані невизначено довгий час.

Існує багато методів його вимкнення, але найбільш широке розповсюдження отримав спосіб штучної зміни полярності напруги на тиристорі за рахунок короткочасного розряду на нього попередньо зарядженого конденсатора. В такому випадку анодний струм тиристора переривається, і він вимикається. Для надійності вимикання напруга заряду комутуючого конденсатора повинна перевищувати напругу живлення. До того ж дія імпульсу зворотної напруги повинна тривати деякий час для відновлення запираючих властивостей тиристора. Цей інтервал приблизно на порядок перевищує тривалість вмикання тиристора.