5.4. Тиристори

Тиристори - це напівпровідникові керовані прилади з трьома і більше р - n-переходами, які здатні під дією сигналу керування переходити від закритого (непро­відного) стану до відкритого (провідного). Цей перехід відбувається стрибкоподібно.

Найбільш розповсюдженими є тиристори на чотиришаровій структурі, показаній на рис. 5.7, а. Вольт-амперні характеристики такої структури показано на рис. 5.7, б, а на рис. 5.7, в - схемне зображення такого тиристора з трьома виводами (електродами) до зовнішнього кола. Електроди приладу називаються: А - анод, К - катод, КЕ - керуючий електрод.

Рис. 5.7 Тиристор та його характеристики

Якщо ввімкнути тиристор у показане на рис. 5.7, а коло, то, за відсутністю сигналу на керуючому електроді, струму в колі не буде. Для показаної полярності прикладеної до тиристора напруги р - n-перехід П2 є закритий і тиристор знаходиться на ділянці 1 своєї вольт-амперної характеристики (рис. 5.7, б). Збільшення напруги до значення напруги вмикання U_вм викликає перехід дірок структури p₁ до n₁ а електронів з структури п₂ до р₂. Ці не основні для структур р₂ та п₂ носії під дією великої зовнішньої напруги з великою швидкістю проходять перехід П2, створюючи лавинне збільшення нових носіїв зарядів. Напруга на тиристорі швидко падає (ділянка II) до значення 0,5+1 В, а напруга на опорі R (рис. 5.7, а) зростає. Тиристор переходить на ділянку III своєї вольт-амперної характеристики.

Отже, для переведення тиристора у провідний стан без використання керуючого електрода, треба подати імпульс анодної напруги U_а U_вм. Для гасіння тиристора треба змінити полярність анодної напруги.

Якщо ж подати на керуючий електрод КЕ напругу, додатню по відношенню до катода К, то це викличе перехід електронів з структур п₂ і п₁, до р₂ Концентрація не основних носіїв зарядів в р₂ збільшується і вмикання тиристора відбувається за наявності напруги U_а U_вм (рис. 5.7, б). Після зняття сигналу керування тиристор зберігає відкритий стан і для його закриття слід поміняти полярність анодної напруги U_а.

На рис. 5.8 показані позначення різних видів тиристорів. В діодному тиристорі (рис. 5.8, а) перехід приладу до відкритого стану відбувається, якщо анодна напруга U_а досягає значення напруги вмикання U_вм. В тріодних одноопераційних тиристорах з керуючим електродом р-типу (рис. 5.8, б) або n-типу (рис. 5.8, в) відкривання тиристора відбувається подаванням імпульсу відповідно додатної або від'ємної напруги на керуючий електрод. На рис. 5.8, г показано позначення симистора з керуючим електродом п-типу, який пропускає струм в обох напрямках за умовою наявності від'ємного імпульсу керування. Двохопераційний тиристор (рис. 5.8, д) з керуючим електродом р-типу дозволяє керуючим імпульсом додатньої напруги відкривати тиристор, а імпульсом від'ємної напруги - закривати його. Всі ж одноопераційні тиристори можна закрити тільки зворотною напругою в анодном колі. В фототиристорах (рис. 5.8,є) відкривання приладу досягається за допомогою світлового імпульсу.

Рис. 5.8 Позначення різних видів тиристорів

Потужні одноопераційні тиристори можуть пропускати середній прямий струм до 1000÷2000 А при напругах від 100 до 4000 В. Двоопераційні тиристори мають менші граничні струми та напруги, ніж одноопераційні тиристори і потужність імпульсу закривання такого тиристора набагато більша від потужності імпульсу відкривання.

Тиристори, як потужні регульовані напівпровідникові прилади, знайшли широке використання в енергетичній електроніці (перетворювальній техніці). Практично вся електрична енергія виробляється на електростанціях трифазними генераторами змінного струму промислової частоти (f = 50 Гц). Але значна частина цієї енергії споживається у перетвореному вигляді і перш за все у вигляді постійного струму. Електропривод постійного струму, в тому числі тяговий, потужні електротермічні та електротехнологічні установки - найбільші споживачі постійного струму. Для їх живлення використовують пристрої, призначені для перетворення струму змінної промислової частоти у постійний струм - випрямлячі. З використанням тиристорів створені керовані випрямлячі, тобто пристрої, які дозволяють перетворити змінну напругу промислової частоти у регульовану постійну напругу. Розроблено також тиристорні перетворювачі (або вентильні перетворювачі), які дозволяють перетворити електричну енергію змінного струму промислової частоти в електричну енергію змінного струму нестандартної частоти (f < f _м або f > f _м) або навіть регульованої частоти, що є дуже істотним для застосування регульованого асинхронного електроприводу.

На рис. 5.9, а показано схему однофазового мостового керованого випрямляча з тиристорами VS1, VS2 та діодами VD1, VD2. Такі керовані випрямлячі широко використовуються як джерела регульованої постійної напруги в електроприводах постійного струму. Для спрощення прийнято, що випрямляч працює на активне навантаження.

Рис. 5.9 Схема однофазового мостового керованого випрямляча

Рис. 5.10 Залежність напруги на виході випрямлювала від кута управління

Для генерації керуючих імпульсів використовується схема імпульсно-фазового керування (СІФК). Імпульси керування поступають на керуючі електроди тиристорів VS1 та Vs2 з зсувом по фазі на кут  по відношенню до моменту появи додатної півхвилі напруги и₂ між анодом і катодом кожного з тиристорів. Кут  називають кутом керування.

Припустимо, що в момент часу wt = 0 напруга вторинної обмотки трансформатора и₂ = 0 і в подальшому має додатний напрям, показаний на рис. 5.9. До відкривання тиристора VS1 напруга u_d на навантаження дорівнює нулю. В момент відкривання тиристо­ра VS1 керуючим імпульсом і_kі напруга и_d зростає стрибком до значення и₂ (рис. 5.9, б), оскільки спадки напруги на відкритому тирис­торі VS1 і на діоді VD3 в прямому напрямку близькі до нуля. Струм протікає через обмотку трансформатора, тиристор VS1, навантаження R, діод VD1 (рис. 5.11, а). В момент напруга и₂ стає рівною нулю, тиристор VS1 закривається і струм і₂, стає рівним нулю. До відкривання тиристора VS2 керуючим імпульсом і_k2 в навантаженні настає безструмова пауза, незважаючи на те, що до анода тиристора VS2 тепер прикладено "+" напруги трансформатора и₂. В момент відкривається тиристор VS2 і напруга и_d = -и₂, оскільки полярність напруги и₂ змінилась. Струм тепер тече через обмотку трансформатора, тиристор VS2, опір R і діод VD2. Збільшуючи кут а можна збільшувати безструмову паузу і зменшувати середнє значення випрямленої напруги . Правда, із збільшенням кута  збільшуєть­ся пульсація випрямленої напруги і це є недоліком керованих випрямлячів у порівнянні, наприклад, з електромашинними генераторами постійного струму. Залежність називається регулювальною характеристикою випрямляча і для активного навантаження має вигляд, показаний на рис. 5.10 кривою R. Для чисто індуктивного навантаження регулювальна характеристика є косинусоїдою (крива L ), а для активно-індуктивного навантаження займає проміжне положення (крива RL).

На рис. 5.10 - середнє значення вихідної напруги некерованого випрямляча в режимі холостого ходу.

Характер залежностей можна пояснити наступним чином. В режимі холостого ходу середнє значення напруги на виході керованого випрямляча дорівнює:

(5.3)

Тут . Якщо знехтувати спадом напруги у внутрішньому опорі трансформатора, то для активного навантаження рівняння (5.3) описує регулювальну характеристику керованого випрямляча, позначену на рис. 5.10 літерою R. Для такого ж індуктивного навантаження струм і_d буде відставати по фазі від напруги и_d на 90°. Отже, якщо задати кут  = 90°, то струм і_d через VS1 має появитися із запізненням на 90°, коли напруга и₀ на анодному колі VS1 проходить через нуль і струм не виникає. В такому випадку (крива L на рис. 5.10).

Тиристори широко використовують також в інверторах, які перетворюють постійний струм у змінний, тобто виконують функцію зворотну до функції випрямля­чів. Інвертори потрібні в лініях передачі електричної енергії постійного струму, для під'єднання до мереж промислової частоти нетрадиційних джерел постійного струму (сонячні батареї, генератори, що використовують вітрову енергію, МГД - генератори).

Розглянемо принцип роботи інвертора. Принципова схема однофазового веденого мережею інвертора показана на рис. 5.11. Цей пристрій може працювати випрямлячем, тобто передавати енергію змінного струму до навантаження, представ­леного індуктивністю L і джерелом постійної напруги Е, або інвертором, тобто передавати енергію в зворотному напрямку від джерела постійної напруги Е до мережі змінного струму.

Рис. 5.11 Інвертор, ведений мережею

Якщо тиристори VS1 і VS2 по черзі відкривати з кутом керування, що знаходиться в межах відносно додатних напрямків напруг u₂₁ та и₂₂ то схема працює звичайним випрямлячем. Якщо ж тиристори відкривати по черзі в моменти, коли обмотки трансформатора Т створюють в анодних колах тиристорів напруги u₂₁ та и₂₂ від'ємного напрямку, то струми в цих обмотках будуть текти під дією ЕРС Е в напрямку, протилежному напрямку дії цих напруг. Це означає, що і струм і, первинної обмотки трансформатора буде протікати в напрямку, протилежному дії напруги и₁ Отже, енергія буде передаватися до мережі. Такий режим забезпечується, якщо .