Управление мощными тиристорами схемы

Управление мощными тиристорами схемы

В статье рассказано об использовании тиристоров, приведены простые и наглядные опыты для изучения принципов их работы. Также даны практические указания по проверке и подбору тиристоров.

Самодельные светорегуляторы

Несмотря на разнообразие и наличие в продаже таких устройств можно собрать светорегулятор по достаточно простой любительской схеме.

К тому же светорегулятор вовсе не обязательно должен регулировать свет, можно приспособить его, например, к паяльнику. В общем, применений предостаточно, готовое устройство может всегда пригодиться.

Практически все подобные устройства выполнены с применением тиристоров, о которых стоит рассказать отдельно, ну хотя бы вкратце, чтобы принцип действия тиристорных регуляторов был ясен и понятен.

Кое- что давайте повторим!

Разновидности тиристоров

Название тиристор подразумевает под собой несколько разновидностей, или как принято говорить, семейство полупроводниковых приборов. Такие приборы представляют собой структуру из четырех p и n слоев, образующих три последовательных p-n (p-n буквы латинские: от positive и negative) перехода.

Рис. 1. Тиристоры

Если от крайних областей p n сделать выводы, получившийся прибор называется диодным тиристором, по-другому динистор. Он и внешним видом похож на диод серии Д226 или Д7Ж, только диоды имеют всего лишь один p-n переход. Конструкция и схема динистора типа КН102 показана на рисунке 2.

Там же показана и схема его включения. Если сделать вывод еще от одного p-n перехода, то получится триодный тиристор, называемый тринистором. В одном корпусе может находиться сразу два тринистора, включенных встречно – параллельно. Такая конструкция называется симистором и предназначена для работы в цепях переменного тока, поскольку может пропускать как положительные, так и отрицательные полупериоды напряжения.

Управление мощными тиристорами схемы

Рисунок 2. Внутреннее устройство и схема включения диодного тиристора КН102

Вывод катода, область n, соединен с корпусом, а вывод анода через стеклянный изолятор соединен в областью p, как показано на рисунке 1. Там же показано включение динистора в цепи питания. В цепь питания последовательно с динистором обязательно должна быть включена нагрузка, так же как если бы это был обычный диод. На рисунке 3 показана вольт — амперная характеристика динистора.

Управление мощными тиристорами схемы

Рисунок 3. Вольт — амперная характеристика динистора

Из этой характеристики видно, что напряжение к динистору может быть приложено как в обратном направлении (на рисунке в нижней левой четверти), так и в прямом, как показано в правой верхней четверти рисунка. В обратном направлении характеристика похожа на характеристику обычного диода: через прибор протекает незначительный обратный ток, практически можно считать что и нет никакого тока.

Больший интерес представляет прямая ветвь характеристики. Если на динистор подать напряжение в прямом направлении и постепенно его увеличивать, то ток через динистор будет невелик, и изменяться будет незначительно. Но лишь до тех пор, пока не достигнет определенного значения, называемого напряжением включения динистора. На рисунке это обозначено как Uвкл.

При этом напряжении во внутренней четырехслойной структуре происходит лавинообразное увеличение тока, динистор открывается, переходит в проводящее состояние, о чем свидетельствует участок с отрицательным сопротивлением на характеристике. Напряжение участка катод – анод резко уменьшается, а ток через динистор ограничивается только лишь внешней нагрузкой, в данном случае сопротивлением резистора R1. Главное, чтобы ток был ограничен на уровне не выше предельно допустимого, который оговаривается в справочных данных.

Предельно допустимый ток или напряжение, это та величина, при которой гарантируется нормальная работа прибора в течение длительного времени. Причем следует обратить внимание на то, чтобы предельно допустимого значения достигал лишь один из параметров: если прибор работает в режиме предельно допустимого тока, то рабочее напряжение должно быть ниже, чем предельно допустимое. В противном случае нормальная работа полупроводникового прибора не гарантируется. К достижению предельно допустимых параметров специально, конечно, стремиться не надо, но уж если так получилось…

Этот прямой ток через динистор будет протекать до тех пор, пока каким — либо образом динистор будет выключен. Для этого необходимо прекратить прохождение прямого тока. Это можно сделать тремя способами: разомкнуть цепь питания, замкнуть накоротко динистор при помощи перемычки (весь ток пройдет через перемычку, а ток через динистор будет равен нулю), или изменить на противоположную полярность питающего напряжения. Такое получается если питать динистор и нагрузку переменным током. Такие же методы выключения и у триодного тиристора – тринистора.

Маркировка динисторов

Она состоит из нескольких букв и цифр, наиболее распространены и доступны отечественные приборы серии КН102 (А,Б…И). первая буква К, говорит о том, что это кремниевый полупроводниковый прибор, Н что это динистор, цифры 102 номер разработки, а вот последняя буква определяет напряжение включения.

Читать также:  Флюс из канифоли и спирта

Весь справочник тут не поместится, однако следует отметить, что КН102А имеет напряжение включения 20В, КН102Б 28В, а КН102И уже целых 150В. При последовательном включении приборов напряжение включения складывается, например два КН102А дадут в сумме напряжение включения 40В. Динисторы выпускавшиеся для оборонной промышленности вместо первой буквы К имеют цифру 2. Это же правило используется и в маркировке транзисторов.

Такая логика работы динистора позволяет на его базе собирать достаточно простые генераторы импульсов. Схема одного из вариантов показана на рисунке 4.

Управление мощными тиристорами схемы

Рисунок 4. Генератор на динисторе

Принцип работы такого генератора достаточно прост: выпрямленное диодом VD1 сетевое напряжение через резистор R1 заряжает конденсатор C1, и как только напряжение на нем достигнет напряжения включения динистора VS1, последний открывается, и конденсатор разряжается через лампочку EL1, которая дает кратковременную вспышку, после которой процесс повторяется сначала. В реальных схемах вместо лампочки может устанавливаться трансформатор, с выходной обмотки которого могут сниматься импульсы, используемые для каких-либо целей, например, в качестве открывающих импульсов.

Тиристором называется четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последовательно чередующихся областей p- и «-типов проводимости. До 1979 г. тиристоры называли тринисторами. С появлением ГОСТ 20859.1-79, а затем ГОСТ 20859.1-98 классификация изменилась следующим образом:

• триодные тиристоры или, сокращённо, тиристоры;

• тиристоры-диоды (тиристоры с встроенным обратным диодом);

• лавинные, асимметричные, запираемые тиристоры;

• симметричные триодные тиристоры или, по-другому, симисторы, триаки;

• фототиристоры, оптотиристоры, оптосимисторы.

Три вывода тиристора обозначают буквами: «А» (анод, Anode), «К» или «С» (катод, Cathode), «УЭ» или «G» (управляющий электрод или Gate — затвор).

Мощность нагрузки, подключаемой к аноду/катоду тиристора во много раз превышает мощность сигнала управления. Важной особенностью тиристора является то, что будучи однажды открыт, он находится в таком состоянии постоянно, вплоть до полного снятия питания. Следовательно, для управления тиристором можно использовать короткие импульсы.

В зависимости от слоя полупроводника, с которым внутри соединяется вывод УЭ, тиристоры бывают с управлением по катоду (Рис. 2.102, а, встречаются чаще) и с управлением по аноду (Рис. 2.102, б, встречаются реже).

Управление мощными тиристорами схемы

Рис. 2.102. Условные графические обозначения тиристоров: а) с управлением по катоду; б) с управлением по аноду.

Среди множества электрических параметров тиристоров интерес, с точки зрения сопряжения с MK, представляют следующие:

• ток отпирания УЭ /уэ (десятки-сотни миллиампер);

• максимальное напряжение УЭ уэ(единицы-десятки вольт);

• Длительность импульса включения Твкл(микросекунды).

Типовые параметры тиристоров семейства КУ221: /уэ = 0.15 А; б эмлх = 7 В; Гвкл MIN = 2 МК с (в реальных схемах устанавливают 50 МК с…Ю мс); частота повторения импульсов на входе УЭ должна быть не более 30 кГц. Остальные параметры относятся к силовой части. Они зависят от мощности/напряжения в нагрузке и должны выбираться отдельно, без привязки к схемотехнике MK.

Для обеспечения долговременной надёжности работы тиристоров следует придерживаться свода простых правил:

• импульс УЭ должен иметь запас по току относительно минимально допустимого, иначе может произойти локальный пробой стуктуры слабым током помехи и выход тиристора из строя [2-187];

• рабочие напряжения и токи в силовой части надо выбирать с коэффициентом запаса 0.7…0.8 от максимально допустимых по даташиту;

• электрические параметры входа УЭ имеют значительный технологический разброс, поэтому расчёты элементов надо вести на худший случай. Тем не менее, некоторые экземпляры тиристоров могут включаться и при пониженных (по сравнению с даташитом) токах, напряжениях, чем часто пользуются радиолюбители в своих конструкциях;

• для повышения помехоустойчивости между катодом и УЭ рекомендуется ставить резистор сопротивлением 51… 1000 Ом. Другое решение — обеспечить низкий выходной импеданс генератора управляющих импульсов;

• следует создавать комфортный температурный режим для тиристора с применением радиаторов и теплопроводящих паст, например, КТП-8.

При коммутации нагрузки в цепи 220 В управляющие импульсы желательно синхронизировать с моментами перехода сетевого напряжения через нуль. Такой приём резко снижает уровень ВЧ-помех, «засоряющих» эфир. Для плавного изменения напряжения в нагрузке применяют фаз число-импульсное управление, при этом не имеет значение, как подключаются тиристоры к MK: без развязки от сети 220 В (Рис. 2.103, а…ж) или с гальванической изоляцией (Рис. 2.104, а…н).

Управление мощными тиристорами схемы

а) импульсами с выхода MK периодически открывается транзистор K77, а через него и тиристор VS1. От частоты следования импульсов будет изменяться среднее напряжение в нагрузке RH. Необязательный конденсатор C7 уменьшает ВЧ-помехи в момент коммутации;

Читать также:  Как сварить медные провода в домашних условиях

б) аналогично Рис. 2.103, а, но максимально упрощённо. Тем не менее, реально работает;

в) тиристор VS1 питается постоянным, а не пульсирующим напряжением, поэтому включается он положительным импульсом с выхода MK, а выключается полным снятием напряжения питания +9…+ 18 В;

г) аналогично Рис. 2.103, в, но без транзистора и с выключением тиристора VS1 нажатием кнопки SB1. Резистором R1 устанавливается ток управления не более 15 мА. Падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии составляет 0.6…1.5 В. Контакты кнопки SB1 должны выдерживать максимальный ток, на который рассчитана нагрузка RH

д) микросхема DD1 имеет выход с открытым коллектором и служит ключом, открывающим тиристор VS1. Резистором R1 задаётся ток управления, но его может не хватить для конкретного тиристора из-за низкого напряжения питания +5 В (проверяется экспериментально);

Управление мощными тиристорами схемы

Рис. 2.103. Схемы подключения тиристоров к МК без гальванической изоляции (окончание):

е) классическое включение шунтирующего резистора R3 между входом УЭ и катодом тиристора VSI. Напряжение питания +5 В для MK может быть получено от +9 В через стабилизатор;

ж) на вход УЭ тиристора VS1 через резистор R3 подаётся повышенное до+12 В напряжение, чтобы обеспечить гарантированное отпирание. В некоторых случаях, подбирая тип тиристора VS1, можно добиться его включения при пониженном напряжении +5 В. Необязательный конденсатор С/ несколько замедляет скорость нарастания управляющего тока (при этом увеличиваются потери мощности), но он защищает тиристор VS1 от ложных срабатываний.

Управление мощными тиристорами схемы

Рис. 2.104. Схемы гальванической изоляции MK от тиристоров (начало):

а) гальваническая развязка через оптопару VU1. Тиристор VS1 подаёт напряжение в нагрузку Rн только во время одного полупериода сетевого напряжения 220 В. В другой полупериод нагрузка обесточена, поскольку закрыт диод VD2. Стабилитрон VD1 задаёт оптимальное напряжение на входе УЭ тиристора VS1. Резистор R2ограничивает ток управления;

б) аналогично Рис. 2.104, а, но с другой полярностью импульсов от MK, с дополнительным резистором R2, с конденсатором фильтра C1 и с другим стабилитроном VD1

Управление мощными тиристорами схемы

в) на обоих выходах МК должны синхронно выставляться НИЗКИЕ и ВЫСОКИЕ уровни. Резисторы R1, &2 — токоограничивающие. Резистор R4 повышает помехоустойчивость;

г) гальваническая развязка на трансформаторе T1. Каждый из тиристоров VS1, VS2 открывается в свою полуволну сетевого напряжения импульсами с выхода МК длительностью 10 МК с и периодом 0.7…1 мс. Для питания транзистора VT1 применяется отдельный источник +5 B(2), чтобы помехи не нарушали работу MK. Трансформатор T1 наматывается на кольце из феррита 79HM K25xl5x5, в обмотке I — 40 витков, в обмотках II, III — по 80 витков провода ПЭВ-0.25;

д) MK формирует импульсы частотой 100 Гц и длительностью 12 МК с, которые постепенно за 3 с смещаются с конца полупериода сетевой синусоиды к ее началу. Как следствие, оптосимтор VU1 «малыми шажками» переходит в полностью открытое состояние, организуя плавный заряд ёмкости высоковольтного конденсатора C3. Дроссель L1 наматывается на кольце из феррита M2000HM1 K31xl8.5×7 и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ-1.0 в каждой;

е) коммутация нагрузки RH при помощи тиристора VS1 и изолированного оптореле VU1

Управление мощными тиристорами схемы

ж) гальваническая развязка MK выполнена на оптопаре VU1. Трансформатор T1 служит не для изоляции (нагрузка RH и так связана с сетью 220 В), а для отпирания тиристора VS1 повышенным напряжением +9…+12 В при токе до 0.15 А. Экономически такое решение оправдано при многоканальной системе с большим числом тиристоров и одним трансформатором;

з) VU1 — сдвоенный опто тиристорный модуль фирмы «Элемент-Преобразователь». Линии МК запараллелены для повышения мощности. Замена VU1 — два оптотиристора ТО 125-10-6;

и) гальваническая развязка на оптосимисторе VU1. Тиристоры VS1, К£2соединены противонаправленно. Каждый из них открывается в «свой» полупериод сетевого напряжения;

к) тиристор оптопары VU1 замыкает диагональ диодного моста VD1, чтобы коммутировать нагрузку RH в оба полупериода сетевого напряжения. Ток через нагрузку не более 100 мА;

л) аналогично Рис. 2.104, к, но с другой полярностью импульсов и другими типами ЭРИ;

Управление мощными тиристорами схемы

Рис. 2.104. Схемы гальванической изоляции МК от тиристоров (окончание):

м) стробоскоп с опторазвязкой. Тиристор VS1 через повышающий трансформатор T1 [2-196] периодически поджигаетлампу EL1. Светодиод HL1 индицирует вспышки стробоскопа;

н) маркировка на корпусе оптотиристоров VU1, Г772содержит буквы и символы вместо привычных арабских цифр. Мощность в нагрузке RH не более 100 Вт.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Читать также:  Как отличить железо от чугуна

Перед тем как разбираться с темой «тиристор – принцип работы», необходимо понять, что собой представляет этот небольшой прибор. По сути, это силовой ключ, только он всегда находится в открытом состоянии. Поэтому его часто называют не полностью управляемый ключ.

Управление мощными тиристорами схемыТиристор

Необходимо отметить, что по своему устройству тиристор напоминает обыкновенный транзистор или диод. Правда, есть и существенные отличия. К примеру, диод – это полупроводниковый двухслойный элемент на кремневой основе (PN), транзистор – трехслойный (PNP или NPN), тиристор – четырехслойный (PNPN). То есть, у него три перехода p-n. Именно поэтому диодные выпрямители перед тиристорными являются менее эффективными. Это хорошо видно на схеме управления тиристорами.

Где применяются тиристоры

Область применения тиристоров обширна. К примеру, из них можно собрать инвертор для сварки или зарядное автомобильное устройство. Некоторые умельцы своими руками собирают даже генераторы. Самое важное, что тиристоры могут через себя пропускать токи и высокочастотные, и низкочастотные. Поэтому, собрав мост из этих приборов, можно изготовить трансформатор и для сварочного аппарата.

Управление мощными тиристорами схемыCхема управления тиристором

Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.

Управление мощными тиристорами схемыКонструкция тиристора

Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

  • Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
  • Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
  • Величина самой токовой нагрузки.
  • Напряжение в цепи.
  • Температура самого прибора.

Управление мощными тиристорами схемы

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

  • Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
  • Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Управление мощными тиристорами схемыТиристор в цепи переменного тока.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Управление тиристорами

В силовых электронных аппаратах чаще всего используется или фазное, или широтно-импульсное управление тиристором.

Управление мощными тиристорами схемы

В первом случае регулировать токовую нагрузку можно за счет изменения углов или α, или θ. Это относится к принудительной нагрузке. Искусственную нагрузку можно регулировать только с помощью управляемого тиристора, который также называется запираемый.

При ШИМ (широтно-импульсной модуляции) во время Тоткр сигнал подается, а, значит, сам прибор находится в открытом состоянии, то есть, ток подается с напряжением Uн. В период времени Тзакр сигнал отсутствует, а сам прибор находится непроводящем состоянии.

Тиристорные светодиоды

Обычно тиристор и светодиод в одном светильнике не устанавливаются. Его место заменяет диод, который работает и на включение, и на отключение, как обычный ключ. Это связано с разными причинами, где основная – это конструкция и принцип действия самого прибора, который всегда находится в открытом состоянии. В настоящее время ученые изобрели так называемый тиристорный светодиод.

Управление мощными тиристорами схемыТиристорный светодиод

Во-первых, тиристорный светодиод в своем составе кроме кремния имеет: галлий, алюминий, индий, мышьяк и сурьму. Во-вторых, спектр излучения при n-переходах между материалами создает волну длиною 1,95 мкм. А это достаточно большая оптическая мощность, если ее сравнивать с диодным элементом, который производит световые волны в том же диапазоне.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *