лекции прохоров
.pdf
I
|
|
|
VS1 |
VS2 |
|
Iу2 |
|
U |
|
|
Iу1 |
Iу=0 |
|
|
|
|
|
||
Iу=0 |
Iу2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iу1 |
|
|
|
Рисунок 5.14 |
Рисунок 5.15 |
Проте таке порівняння не зовсім справедливе. З одного боку, симистор як єдина інтегральна структура має завжди за інших рівних умов в порівнянні із стрічно-паралельними тиристорами менше масу і габарити, велику надійність роботи, меншу складність схеми управління і вартість. З другого боку, єдина інтегральна структура симистора - приладу, провідного струм в обох напрямах, може вимикатися тільки за рахунок природного спаду до нуля прямого струму (природна комутація). Тому симистори мають низькі робочі частоти (~100 Гц), тоді як стрічно-паралельне з'єднання звичайних тиристорів може працювати на частотах ~1 кГц і вище.
Універсальність і простота симисторов роблять їх перспективними для обширного класу пристроїв, пов'язаних з підключенням і регулюванням змінного струму.
Симетричний тиристор як без-контактний ключ в колах змінного струму дозволяє комутувати значну потужність при малих втратах потужності на управління (рис. 5.16), при цьому відсутній "брязкіт" і підгоряння контактів, іскріння і перенапруження, характерні для контактних елементів.
121
При |
фазовому управлінні си- |
|
|
|
мистор |
відмикається |
імпульсом |
|
Zн |
|
VS |
|||
управління і підключає напругу жи- |
|
|||
Uс |
Iу |
|||
влячої мережі до навантаження на |
|
|
||
певну (регульовану) частину періоду |
|
|
||
(рис. 5.17), що дозволяє економічно |
|
Рисунок 5.16 |
||
регулювати середнє значення поту- |
|
|
||
жності, що підводиться до наванта- |
|
Uс |
||
ження. |
Регулювання |
потужності |
|
|
Iу |
|
|||
здійснюється шляхом зміни фазового |
|
t |
||
кута ϕ , при якому відбувається від- |
|
|
||
микання ключа, – симистора. |
Uн |
|
||
У момент замикання або роз- |
ϕ |
t |
||
|
|
|
||
микання ключа при фазовому регу- |
|
|
||
люванні через різку зміну струму |
|
Рисунок 5.17 |
||
виникають перенапруження і, як на- |
|
|
||
слідок, радіоперешкоди, комутаційні перешкоди і т.п. Тому бажано відмикати і |
||||
замикати ключ в мить, коли напруга живлячої мережі проходить через нуль - |
||||
так звана синхронна комутація або комутація при нульовій напрузі (рис. 2.18), |
||||
при цьому потужність в навантаженні регулюється шляхом зміни відношення |
||||
тривалості замкнутого стану ключа (симистор відкритий), коли до навантажен- |
||||
ня прикладається ціле число періодів живлячої мережі, до тривалості його розі- |
||||
мкненого стану (симистор закритий). Комутаційні перешкоди в цьому випадку |
||||
різко зменшуються. |
|
|
|
|
Iу
t
Uн
t
Рисунок 5.18
122
5.4.2 Тиристори, що замикаються
Тиристор, що замикається, - тиристор, який може перемикатися із закритого стану у відкритий і, навпаки, при подачі на управляючий електрод сигналів відповідної полярності.
Ефективність виключення тиристора за допомогою управляючого імпульсу характеризується коефіцієнтом виключення
k = Iа /Iу.з ,
де Iа - амплітуди анодного струму, що вимикається;
Iу.з - якнайменша амплітуда струму управління, необхідна для виключення тиристора.
В перехідному процесі виключення по управляючому електроду (рис. 5.19) розрізняють три етапи:
–розсмоктування заряду насичення tроз;
–регенеративний спад анодного струму tрег;
–відновлення опору переходу колектора tвід. На етапі розсмоктування під впли-
вом управляючого сигналу в базах тири- |
|
|
iу |
|
|
|
|
стора (рис. 5.4) відбувається зменшення |
|
|
|
|
|
|
|
концентрацій носіїв, унаслідок чого опір |
|
|
|
|
|
Iуз |
t |
|
|
|
|
|
|||
баз і падіння напруги на структурі збі- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
льшується. Цьому етапу відповідає деяке |
|
iа |
|
|
|
||
Iа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
незначне зниження анодного струму |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(рис. 5.19). |
|
|
|
tроз |
tрег |
tвід |
|
При достатній амплітуді і тривало- |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
сті імпульсу управління процес розсмок- |
|
|
t0 t1 |
t2 |
t3 |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тування зарядів в базах приводить до виходу переходу колектора з насичення.
Оскільки бази транзисторів зв'язані загальним колекторним переходом, то зниження до нуля надмірної концентрації неосновних носіїв на його межах і пов'я- заний з цим вихід з насичення відбуваються одночасно (у момент t1).
123
Після виходу з насичення транзистори працюють в активному режимі, при якому їх колекторні струми пропорційні зарядам в базах. Під дією струму управління і унаслідок виникнення позитивного зв'язку, характерного для активного режиму, заряди в базах і струм через структуру зменшуються лавиноподібно. Оскільки негативний струм управління поступає тільки в одну базу (р - типу), то першим спадає до нуля заряд в цій базі, і n-p-n транзистор потрапляє в область відсічення (у момент t2). Це викликає припинення дії позитивного зворотного зв'язку, і тому зменшення анодного струму перестає носити регенеративний характер. Лавиноподібний процес зниження зарядів в базах і струму через структуру складає другий етап перехідного процесу, званий етапом регенерації, тривалість якого tрег= t2 - t1.
На третьому етапі перехідного процесу n-p-n транзистор працює в області відсічення, унаслідок чого його колекторний струм, що поступав раніше в n - базу, дорівнює нулю. Тому в n-базе p-n-p транзистора відбувається зменшення заряду через рекомбінацію і відхід основних носіїв через емітерний перехід, чому відповідає повільний спад анодного струму після моменту t2 .
Принциповим обмеженням вживання |
kвикл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
тиристорів, що замикаються, є те, що при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
анодних струмах вище певного критичного |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
значення Iа кр його коефіцієнт виключення |
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стає рівним нулю (рис. 5.20). При Iа мен- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
шим струму утримання Iут, коли kвикл→ ∞, |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прилад переходить в закритий стан при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iа ,А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
будь-якому струмі управління. При Iа = Iа |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
кр, коли kвикл→0, ніякий замикаючого струм |
|
|
I |
ут 0,1 |
|
1 |
|
2 4 |
|
|
|
Iа кр |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
управління Iу.з не вимикає тиристор. Слід |
|
|
|
Рисунок 5.20 |
|
|
|
|
|||||
мати на увазі, що при виключенні струмів |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
близьких до Iа кр позначаються неодномірні процеси, що супроводжуються ефектом локалізації енергії зі всіма витікаючими наслідками: локальним перегрі-
вом |
структури, стяганням струму в |
"шнур". Анодний струм |
|
124 |
|
необхідно обмежувати на такому рівні, щоб не відбувалося необоротних змін в структурі, погіршуючих параметри тиристора. Для тиристорів, що замикаються, вирішальним чинником, що обмежує значення анодного струму, що вимикається, є зменшення коефіцієнта виключення.
Найпростіша схема управління двохопераційним тиристором приведена на рисунку 5.21. Схема працює таким чином. При розімкненому ключі S на вхід подається позитивний струм управління Iу, що включає тиристор.
|
+E |
iу |
|
|
|
|
iа |
|
VD |
VS |
iн |
|
|
|
Iуз R |
Rн |
iа |
|
|
|
S |
iн |
|
Iу
Iуз |
t |
Iн
t
Iн |
Iа |
t
Рисунок 5.21
До навантаження Rн прикладається напруга живлення Е. Для виключення тиристора VS треба замкнути ключ S, що викличе появу замикаючого (негативного)
струму управління Iу.з в колі управління тиристора, рівного Е/Rу. Якщо Iу.з≥ Iа/kвикл, то тиристор вимикається. При замиканні ключа S струм анода зростає на Iу.з: Iа=Iн +Iу.з ≤Iа кр, де Iн = Е/ Rн – струм навантаження; Iа кр – критичний анодний струм, при якому kвикл→0. Таким чином, для виключення тиристора необхідно
мати Iу.з ≥ (Iн+ Iу.з)/kвикл.
В якості ключа можна використовувати транзистор або тиристор.
5.5 Порівняльна характеристика тиристора і транзистора
Основні особливості тиристора в порівнянні з транзистором, що працює в ключовому режимі:
1. Наявність внутрішнього позитивного зворотного зв'язку і, як наслідок, короткочасність управляючих сигналів тиристора по відношенню до тривалості
125
статичних станів. В транзисторному ключі для підтримки статичного стану необхідно безперервно подавати відповідний сигнал управління.
2.Вентильні властивості тиристора, тобто при подачі зворотної напруги він закривається, що зручне при використовуванні тиристора як ключа в колах змінного струму.
3.Високе значення граничної потужності, що перемикається тиристором. При перемиканні великих потужностей (струми порядку 1000 В і більш, напруги порядку 1000 В і більш) тиристор має найбільші переваги перед транзисторним ключем.
Перераховані особливості тиристорів зумовлюють ряд недоліків цих приладів в порівнянні з транзистором в ключовому режимі.
1.Відносно низька швидкодія, особливо при замиканні (час виключення сучасних тиристорів порядку десятків мікросекунд).
2.Обмежена керованість - більшість класів тиристорів відмикається по малопотужному колу управління, а закривається по потужному (силовому) анодному колу. Тому вживання тиристорів в якості ключів в колах постійного струму вимагає спеціальних вузлів для замикання тиристорів - так званих вузлів комутації.
3.Наявність внутрішнього позитивному зворотному зв'язку знижує перешкодостійкість тиристорів в закритому стані, приводить до появи додаткових паразитних ефектів (ефекту du/dt, ефекту локалізації енергії при перемиканні і т.п.).
Таким чином, переважна область вживання тиристорів - перемикання і перетворення великих потужностей в низькочастотних колах змінного струму: керовані випрямлячі і інвертування, перетворювачі частоти, регулятори змінного струму і ін.
126