6.6.1. Способы включения тиристоров | Электротехника

Твердотельная электроника

7 лет назад

admin

Включение тиристора путем медленного увеличения напряжения между основными электродами до напряжения включения

Этот способ рассмотрен в разд. 6.1. Им можно включить  как динистор, так и тринистор.

Включение тиристора с помощью тока управления

Как было показано, увеличение тока через один из эмиттерных переходов из-за подачи соответствующего напряжения на управ­ляющий электрод приводит к накоплению неравновесных носи­телей заряда в базовых областях тиристора и к включению его при напряжении между основными электродами, значи­тельно меньшем, чем напряжение включения при разомкнутой цепи управляющего электрода. Процесс накопления неравновес­ных носителей заряда в базовых областях происходит не мгно­венно, поэтому для включения тиристора необходимо, чтобы импульс управляющего тока имел определенную длительность и амплитуду.

При переключении тиристора транзисторные структуры, образующие тиристор, переходят из режима отсечки в режим насыщения через активный режим.

Во время переходных процессов через тиристор проходят большие токи при больших напряжениях на нем, что приводит к большим значениям выделяющейся в тиристоре так на­зываемой мощности коммутацион­ных потерь.

Включение тиристора путем бы­строго увеличения анодного напряжения

При быстром нарастании основного напряжения на тиристоре через него будет проходить емкостный ток, обусловленный наличием барьерных емкостей коллекторного и эмиттерных переходов (рис. 6.13, а).

Рассмотрим сначала влияние барьерной емкости коллекторно­го перехода. Емкостный ток через коллекторный переход равна:

.

Чем больше скорость изменения основного напря­жения на тиристоре, тем больше значение емкостного тока через коллекторный переход. Этот ток, проходя через эмиттерные переходы, вызывает увеличение коэффициентов передачи токов эмиттера тран

зисторных структур, что приводит к включению тиристора при основном напряжении, меньшем напряжения включения на постоянном токе  (рис. 6.13, б).

Барьерные емкости эмиттерных переходов являются причиной появления емкостных токов через эти переходы при быстром изменении основного напряжения на тиристоре. Эти токи не связаны с инжекцией носителей заряда. Поэтому с увеличе­нием скорости изменения основного напряжения включение ти­ристора должно происходить при напряжениях, больших

 (рис. 6.13, б), если учитывать только барьерные емкости эмиттерных переходов.

Практически барьерная емкость коллекторного перехода сказывается сильнее, так как она шунтирует большое активное сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении при закрытом состоянии тиристора. Барьерные емкости эмиттерных переходов сами оказываются зашунтированными малыми активными сопротивлениями эмиттерных перехо­дов, смещенных при закрытом состоянии тиристора в прямом направлении. Поэтому напряжение включения тиристора с увели­чением скорости нарастания основного напряжения уменьшается.

Однако эффект включения тиристоров при большой скорости нарастания основного напряжения часто оказывается не поло­жительным, а отрицательным свойством, так как может приво­дить к самопроизвольному включения тиристора, например при подключении источника питания. Эффективным способом ослаб­ления этого эффекта является шунтирование эмиттерного пере­хода объемным сопротивлением прилегающей базовой области.

Вам также может понравиться

Тиристорные коммутаторы нагрузки (10 схем)

Для включения и отключения нагрузки (ламп накаливания, обмоток реле, электродвигателей и т.п.) зачастую используют тиристоры. Особенность этого вида полупроводниковых приборов и основное их отличие от транзисторов заключается в том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями, без каких-либо промежуточных.

Это состояние «включено», когда сопротивление полупроводникового прибора минимально, и состояние «выключено», когда сопротивление тиристора максимально. В идеале эти сопротивления приближаются к нулю или бесконечности.

Для включения тиристора на его управляющий электрод достаточно хотя бы кратковременно подать управляющее напряжение. Отключить тиристор (запереть) можно кратковременным выключением питания тиристора, сменой полярности питающего напряжения либо уменьшением тока в нагрузке ниже тока удержания тиристора.

Обычно включают и отключают тиристорные коммутаторы двумя кнопками. Значительно меньшее распространение получили однокнопочные схемы управления тиристорами.

Здесь подробно рассмотрены методы однокнопочного управления тиристорными коммутаторами. Принцип работы тиристорных однокнопочных управляющих устройств основан на динамических зарядно-разрядных процессах в цепи управления тиристора [EW 4/01-299].

Схема однокнопочного управления тиристором

На рисунке 1 показана одна из простейших схем однокнопочного управления тиристорным коммутатором. В схеме (здесь и далее) используют кнопки без фиксации положения. В исходном состоянии нормально замкнутые контакты кнопки шунтируют цепь управления тиристором.

Сопротивление тиристора максимально, ток через нагрузку не протекает. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме на рис. 1, рассмотрены на рис. 2.

Для включения тиристора (ON) нажимают на кнопку SB1. При этом нагрузка оказывается подключенной к источнику питания через контакты кнопки SB1, а конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания.

Скорость заряда конденсатора определяется постоянной времени цепи R1C1 (см. диаграмму). После того как кнопку отпустят, конденсатор С1 разряжается на управляющий электрод тиристора. Если напряжение на нем равно или превышает напряжение включения тиристора, тиристор отпирается.

Рис. 1. Принципиальная схема управления тиристором с помощью одной кнопки.

Рис. 2. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме с тиристором.

Отключить нагрузку (OFF) можно кратковременным нажатием на кнопку SB1. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. Поскольку контакты кнопки шунтируют электроды тиристора (анод — катод), это равноценно отключению источника питания тиристора. В результате нагрузка будет отключена.

Следовательно, для включения нагрузки необходимо с большей продолжительностью нажать на управляющую кнопку, для отключения — еще раз кратковременно нажать ту же кнопку.

Простые силовые ключи на тиристорах

На рис. 3 и 4 показаны варианты схемной идеи, представленной на рис. 1. На рис. 3 использована цепочка последовательно соединенных диодов VD1 и VD2 для ограничения максимального напряжения заряда конденсатора.

Рис. 3. Вариант схемы управления тиристором одной кнопкой.

Это позволило заметно снизить рабочее напряжение (до 1,5…3 В) и емкость конденсатора С1. В следующей схеме (рис. 4) резистор R1 включен последовательно с нагрузкой, что позволяет создать двухполюсный коммутатор нагрузки. Сопротивление нагрузки должно быть намного ниже, чем сопротивление R1.

Рис. 4. Схема электронного ключа на тиристоре с последовательным подключением нагрузки.

Тиристорный коммутатор с двумя кнопками

Тиристорное устройство управления нагрузкой (рис. 5) может быть использовано для включения и выключения нагрузки любой из нескольких последовательно включенных кнопок, работающих на разрыв цепи. Принцип действия тиристорного коммутатора заключается в следующем.

 

При включении устройства напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора, недостаточно для его включения. Тиристор, и, соответственно, нагрузка отключены. При нажатии на любую из кнопок SB1 — SBn (и удержании ее нажатой) конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания. Цепь управления тиристора и сам тиристор при этом отключены.

Рис. 5. Схема простого тиристорного коммутатора нагрузки с двумя кнопками.

После отпускания кнопки и восстановления цепи питания тиристора накопленная конденсатором С1 энергия оказывается приложенной к управляющему электроду тиристора. В результате разряда конденсатора через управляющий электрод тиристор включается, подсоединяя тем самым нагрузку к цепи питания.

Для отключения тиристора (и нагрузки) кратковременно нажимают на любую из кнопок SB1 — SBn. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. В то же время цепь питания тиристора размыкается, тиристор запирается.

Величина резистора R2 зависит от напряжения питания устройства: при напряжении 15 В его сопротивление — 10 кОм при 9 В — 3,3 кОм при 5 6-1,2 кОм.

Схема с эквивалентом тиристора на транзисторах

При использовании вместо тиристора его транзисторного аналога (рис. 6) величина этого резистора меняется, соответственно, от 240 кОм (15 В) до 16 кОм (9 В) и до 4,7 кОм (5 В).

Рис. 6. Схема электронного коммутатора нагрузки с транзисторным эквивалентом тиристора.

Аналог многокнопочного переключателя на тиристорах

Тиристорное устройство, позволяющее создать аналог многокнопочного переключателя с зависимой фиксацией положения и использующее для управления кнопочные элементы, работающие без фиксации, показано на рис. 7. В схеме может быть использовано несколько тиристоров, однако, для упрощения схемы, на рисунке показано лишь два канала. Другие каналы коммутации могут быть подключены аналогично предыдущим. 

Рис. 7. Принципиальная схема аналога многокнопочного переключателя с использованием тиристоров.

В исходном состоянии тиристоры заперты. При нажатии на кнопку управления, например, кнопку SB1, конденсатор С1 относительно большой емкости оказывается подключенным к источнику питания через диоды VD1 — VDm и сопротивления нагрузки всех каналов.

В результате заряда конденсатора возникает импульс тока, приводящий к кратковременному замыканию анодов всех тиристоров через соответствующие диоды VD1 — VDm на общую шину.

Любой из тиристоров, если он был включен, отключается. В то же время конденсатор накапливает энергию. После отпускания кнопки конденсатор разряжается на управляющий электрод тиристора, отпирая его.

Для включения любого другого канала нажимают соответствующую кнопку. Происходит отключение (сброс) ранее задействованной нагрузки и включение новой нагрузки. В схеме предусмотрена кнопка SB0 общего отключения всех нагрузок.

Многокнопочный переключатель с транзисторным аналогом тиристоров

Вариант схемы, выполненный на транзисторных аналогах тиристоров и диодно-емкостных зарядных цепочках с использованием малогабаритных конденсаторов, показан на рис. 8, 9.

Рис. 8. Схема эквивалентной замены тиристора транзисторами.

В схеме предусмотрена светодиодная индикация включенного канала. В этой связи максимальный ток нагрузки каждого из каналов ограничен значением 20 мА.

Рис. 9. Схема многокнопочного переключателя с транзисторным аналогом тиристоров.

Устройства, аналогичные представленным на рис. 7 — 9, а также на рис. 10 — 12, можно использовать для систем выбора программ радио- и телеприемников.

Недостатком схемных решений (рис. 7 — 9) является то, что в момент нажатия на любую из кнопок все нагрузки оказываются хотя бы на мгновение подключенными к источнику питания.

Схемы многопозиционных переключателей

На рис. 10 и 11 показан тиристорный коммутатор разрывного типа с неограниченным количеством последовательно включенных элементов.

При нажатии на одну из кнопок управления цепь питания аналогов тиристоров размыкается по постоянному току. Конденсатор С1 оказывается включенным последовательно с аналогом тиристора.

Рис. 10. Схема базового элемента для самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.

Рис. 11. Принципиальная схема самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.

Одновременно управляющее напряжение (нулевого уровня) через задействованную кнопку и резистор R2 (рис. 10) подается на управляющий электрод аналога тиристора.

Поскольку в первые мгновения при нажатии кнопки последовательно с аналогом тиристора оказывается включенным полностью разряженный конденсатор, такое включение равносильно короткому замыканию в цепи питания соответствующего тиристора. Следовательно, тиристор отпирается, включая тем самым соответствующую нагрузку.

При нажатии на любую другую кнопку ранее задействованный канал отключается, и включается другой канал. При длительном (порядка 2 сек) нажатии на любую из кнопок конденсатор С1 заряжается, что равнозначно размыканию цепи и приводит к запиранию всех тиристоров.

Схема усовершенствованного электронного переключателя

Рис. 12. Принципиальная схема тиристорного коммутатора для множества нагрузок.

В ряду тиристорных коммутаторов наиболее совершенной представляется схема, показанная на рис. 12. При нажатии кнопки управления возникает бросок тока, эквивалентный короткому замыканию.

Происходит отключение ранее задействованных тиристоров и включение тиристора, соответствующего нажатой кнопке. В схеме предусмотрена светодиодная индикация задействованного канала, а также кнопка общего сброса.

Вместо конденсаторов большой емкости могут быть использованы диодно-конденсаторные цепочки (рис. 12). Принцип действия схемы сохраняется. В качестве нагрузки можно использовать низковольтные реле, например, РМК 11105 сопротивлением 350 Ом на рабочее напряжение 5 В.

Резистор R1 ограничивает ток короткого замыкания и ток максимального потребления величиной 10… 12 мА. Количество каналов коммутации не ограничено.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Методы включения

SCR | Запуск SCR (напряжение, температура, строб)

В этом руководстве мы узнаем о методах включения SCR. Существует несколько методов включения SCR, зависящих от различных параметров, таких как напряжение, температура и т. д. Мы рассмотрим некоторые из наиболее часто используемых методов включения SCR.

Краткое описание

Введение

Прежде чем рассматривать различные способы включения тиристора, т. е. различные методы включения тиристора, давайте быстро вспомним некоторые важные основы выпрямителя, управляемого кремнием, или просто известного как тиристор. SCR, который является важным членом семейства тиристоров, представляет собой полупроводниковый прибор с четырьмя слоями, тремя переходами и тремя выводами. На следующем изображении показаны структура и символ типичного SCR.

SCR состоит из четырех чередующихся слоев полупроводникового материала p-типа и n-типа. Внешняя область «p» подключена к аноду (A), а внешняя область «n» подключена к катоду (K). Внутренняя область «p» связана с третьим терминалом, называемым Воротами (G).

SCR по существу является коммутатором. В отличие от транзистора, который может действовать как переключатель, но также и как усилитель, SCR — это только переключатель, который либо включен, либо выключен. SCR имеет два стабильных состояния, а именно: состояние прямой блокировки и состояние прямой проводимости. Есть и другие состояния, но эти два важны, и поэтому мы сосредоточимся только на них.

Переключение SCR из состояния прямой блокировки (состояние OFF) в состояние прямой проводимости (состояние ON) известно как процесс включения SCR. Это также называется триггером.

Критерий срабатывания тиристора зависит от нескольких переменных, таких как напряжение питания, ток затвора, температура и т. д. Существуют различные способы срабатывания тиристора, чтобы он перешел в состояние ВКЛ. Давайте кратко обсудим некоторые методы включения SCR.

Методы включения SCR (запуск SCR)

Возьмем приведенное выше изображение со структурой SCR в качестве эталона. Если анод (внешняя область «p») становится положительным по отношению к катоду (внешняя область «n»), контакты J

1 и J ₃ становятся смещенными в прямом направлении, а соединение J ₂ становится смещенным в обратном направлении.

В результате через устройство не протекает ток, за исключением небольшой величины тока утечки. Таким образом, даже несмотря на то, что SCR смещен в прямом направлении, ток по-прежнему не течет, и, следовательно, это состояние известно как состояние прямой блокировки (состояние OFF).

ПРИМЕЧАНИЕ. Существует еще одно состояние, известное как состояние обратной блокировки, когда SCR смещен в обратном направлении. Характеристики в этом состоянии аналогичны характеристикам обычного диода. Давайте теперь сосредоточимся на переводе SCR из состояния прямой блокировки в состояние прямой проводимости путем «включения SCR».

SCR можно перевести в проводящее состояние или переключить из состояния блокировки (непроводящего или ВЫКЛ.) в состояние проводимости (ВКЛ.) любым из следующих способов.

1. Запуск прямого напряжения
2. Запуск по температуре
3. dv/dt Запуск
4. Включение света
5. Запуск ворот

Запуск по прямому напряжению

В методе запуска по прямому напряжению SCR смещен в прямом направлении, т. е. анод более положителен, чем катод, но это напряжение значительно увеличивается. Терминал ворот остается открытым.

По мере увеличения напряжения ширина слоя обеднения перехода J ₂ увеличивается, что, в свою очередь, увеличивает ускоряющее напряжение неосновных носителей на этом переходе. При определенном напряжении произойдет лавинный пробой на внутреннем переходе J ₂ в результате столкновения неосновных носителей заряда с атомами и высвобождения еще большего количества неосновных носителей заряда.

Это напряжение известно как прямое напряжение отключения В _BO . При этом напряжении переход J ₂ становится смещенным в прямом направлении, и тринистор переходит в состояние проводимости. Через тринистор протекает большой ток (от анода к катоду, который ограничен сопротивлением нагрузки) при очень низком падении напряжения на нем.

Во время включения прямое падение напряжения на SCR находится в диапазоне от 1 до 1,5 В, и оно может увеличиваться с увеличением тока нагрузки.

На практике этот метод не используется, поскольку требует очень большого напряжения между анодом и катодом. А также как только напряжение становится больше, чем V _BO , тиристор включается и через него мгновенно протекает очень большой ток, что может привести к повреждению тиристора. Поэтому в большинстве случаев этого типа запуска избегают.

Запуск по температуре

Этот тип запуска также известен как запуск по теплу, так как SCR включается при нагревании. Обратный ток утечки зависит от температуры. При повышении температуры до определенного значения количество пар дырок также увеличивается. Это вызывает увеличение тока утечки и дополнительно увеличивает коэффициент усиления по току тринистора. Это запускает регенеративное действие внутри ОПЗ, поскольку значение (α1 + α2) приближается к единице (при увеличении коэффициента усиления по току).

При повышении температуры на стыке J ₂ ширина обедненного слоя уменьшается. Таким образом, когда напряжение прямого смещения близко к V _BO , мы можем включить SCR, увеличив температуру перехода (J ₂ ). При определенной температуре обратное смещение перехода нарушается, и устройство начинает проводить.

Это срабатывание происходит в некоторых случаях, особенно когда температура устройства выше (также называемое ложным срабатыванием). Этот тип срабатывания практически не используется, так как он вызывает тепловой разгон и, следовательно, устройство или тринистор могут быть повреждены.

dv/dt Запуск

В состоянии прямой блокировки, т. е. анод более положителен, чем катод, переходы J

1 и J ₃ смещены в прямом направлении, а переход J ₂ смещен в обратном направлении. Таким образом, переход J ₂ ведет себя как конденсатор (J ₁ и J ₃ как проводящие пластины с диэлектриком J ₂ ) за счет объемных зарядов в области обеднения.

Зарядный ток конденсатора определяется как:

 I _C = dQ / dt

 = d(C _j v) / dt

Используя правило дифференциации произведения, мы получаем

 = C _j dv / dt + v dC _j  / dt

Поскольку емкость перехода всегда почти постоянна, мы можем пренебречь скоростью изменения емкости перехода dC

Дж / dt. Таким образом, окончательный зарядный ток равен:

 I _C = C _j dv/dt

где, I _C – зарядный ток

C _j  — емкость перехода

Q — заряд

v — напряжение, приложенное к устройству

dC _j / dt — скорость изменения емкости перехода изменения приложенного напряжения

Из приведенного выше уравнения, если скорость изменения приложенного напряжения велика (т. е. оно приложено внезапно), то поток зарядного тока увеличится, что приведет к включению тринистора без каких-либо напряжение затвора.

Понятно, что мы можем включить SCR, просто увеличив скорость изменения напряжения на устройстве, а не прикладывая большое прямое напряжение смещения (как мы сделали в предыдущем случае). Тем не менее, этот метод также практически избегается, потому что он может вызвать ложное включение, а также может вызвать очень высокие скачки напряжения на SCR, что приведет к его значительному повреждению.

Запуск светом

SCR, включенный световым излучением, также называется SCR, активируемым светом (LASCR). Следовательно, срабатывание по свету также известно как срабатывание по излучению. Как правило, этот тип запуска используется в преобразователях с фазовым управлением в системах передачи HVDC.

В этом методе световые лучи с соответствующей длиной волны и интенсивностью падают на соединение J ₂ . Бомбардируемые энергетические частицы света (нейтроны или фотоны) вызывают разрыв электронных связей, в результате чего в устройстве образуются новые электронно-дырочные пары.

По мере увеличения количества носителей заряда происходит мгновенное увеличение протекающего тока, что приводит к включению тринистора.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для успешного включения тиристора с помощью светового излучения скорость изменения приложенного напряжения (dv/dt) должна быть высокой.

Активация шлюза

Это наиболее распространенный и наиболее эффективный метод включения SCR. Когда SCR смещен в прямом направлении, достаточное положительное напряжение на выводе затвора впрыскивает некоторое количество электронов в переход J ₂ . Это приводит к увеличению обратного тока утечки и, следовательно, пробой перехода J ₂ происходит даже при напряжении ниже V _BO .

В зависимости от размера тиристора ток затвора варьируется от нескольких миллиампер до 250 миллиампер и более. Чем больше приложенный ток затвора, тем больше электронов инжектируется в переход J ₂ и приводит к переходу в состояние проводимости при гораздо более низком приложенном напряжении.

В методе запуска затвора положительное напряжение прикладывается между затвором и выводами катода. Мы можем использовать три типа стробирующих сигналов для включения SCR. Это сигнал постоянного тока, сигнал переменного тока и импульсный сигнал.

Запуск затвора постоянным током

При этом запуске достаточное постоянное напряжение прикладывается между выводами затвора и катода таким образом, что затвор становится положительным по отношению к катоду. Ток затвора переводит SCR в режим проводимости.

В этом методе на затвор подается непрерывный сигнал затвора (напряжение постоянного тока), что вызывает внутреннее рассеивание мощности (или дополнительные потери мощности). Другим важным недостатком является отсутствие изоляции между цепями питания и управления (поскольку они оба постоянного тока).

Запуск по переменному току

Это наиболее часто используемый метод включения SCR, особенно в приложениях переменного тока. При надлежащей изоляции между силовыми цепями и цепями управления (с использованием трансформаторов) тиристор срабатывает от переменного напряжения с фазовым сдвигом, полученного от основного источника питания. Угол открытия управляется изменением фазового угла стробирующего сигнала.

Однако приводу затвора доступна только половина цикла для управления углом открытия, а в течение следующей половины цикла между затвором и катодом прикладывается обратное напряжение. Это одно из ограничений запуска по переменному току, а другое — потребность в отдельном понижающем или импульсном трансформаторе для подачи напряжения на привод затвора от основного источника питания.

Импульсное срабатывание

Наиболее популярным методом срабатывания SCR является импульсное срабатывание. В этом методе на затвор подается одиночный импульс или последовательность высокочастотных импульсов.

Основным преимуществом этого метода является то, что привод затвора является прерывистым или не требует непрерывных импульсов для поворота тринистора, и, следовательно, потери затвора уменьшаются в большей степени за счет применения одиночных или периодически появляющихся импульсов. Для изоляции привода затвора от сети используется импульсный трансформатор.

Динамические характеристики переключения при включении тиристора

Динамические процессы тиристора — это процессы включения и выключения, при которых как напряжение, так и ток тиристора изменяются во времени. Переход из одного состояния в другое занимает конечное время, но не происходит мгновенно.

Статические или VI характеристики SCR не указывают на скорость, с которой SCR переключился в режим прямой проводимости из режима прямой блокировки. Следовательно, динамические характеристики иногда более важны, что дает характеристики переключения тиристора.

Будет ограниченное время перехода, которое требуется SCR для достижения режима прямой проводимости из режима блокировки, которое называется временем включения (t _ON ) SCR. Время включения SCR Ton можно разделить на три отдельных интервала, а именно время задержки t _d , время нарастания t _r и время расширения t _s .

Время задержки (t

_d )

Время задержки измеряется с момента, когда ток затвора достигает 90 процентов от своего конечного значения, до момента, когда анодный ток достигает 10 процентов от своего конечного значения. Его также можно определить как время, необходимое для падения анодного напряжения от начального значения анодного напряжения V _a до 0,9 В _a .

Рассмотрим приведенный ниже рисунок и заметим, что до момента времени td тиристор находится в режиме прямой блокировки, поэтому анодный ток представляет собой небольшой ток утечки. При подаче сигнала стробирования (в 90 процентов от I _g ), то ток затвора достигает 0,1 I _a , а также, соответственно, напряжение между анодом и катодом падает до 0,9 V _a .

При подаче сигнала затвора будет неравномерное распределение тока по поверхности катода, поэтому плотность тока на выводе затвора намного выше. И она быстро уменьшается по мере увеличения расстояния от ворот. Следовательно, время задержки t _d представляет собой время, в течение которого анодный ток протекает в узкой области, где плотность тока (ток затвора) максимальна.

Время нарастания (t

_r )

Это время, за которое ток анода увеличивается с 10 до 90 процентов от его конечного значения. Также определяется как время, необходимое для падения прямого блокирующего напряжения с 0,9 В _a до 0,1 В _a . Это время нарастания обратно пропорционально току затвора и скорости его нарастания.

Следовательно, если на затвор подаются большие и крутые импульсы тока, это может значительно уменьшить время нарастания t _r . Кроме того, если нагрузка индуктивная, время нарастания будет больше, а для резистивной и емкостной нагрузки оно меньше.

В течение этого времени потери при включении в SCR высоки из-за большого анодного тока и высокого анодного напряжения. Это может привести к образованию локальных горячих точек и, как следствие, к повреждению тиристора.

Spread Time (t

_s )

Это время, необходимое для падения напряжения прямой блокировки с 0,1 В _до до падения напряжения в состоянии ВКЛ, которое находится в диапазоне от 1 до 1,5 вольт. За это время анодный ток растекался по всей проводящей области ОПЗ от узкой проводящей области. По истечении времени распространения через устройство протекает полный анодный ток с небольшим падением напряжения во включенном состоянии.

Следовательно, общее время включения t _ON равно:

t _ON = t _r + t _d + t _s

Типичное значение времени включения составляет от 1 до 4 микросекунд, в зависимости от формы сигнала стробирующего сигнала и параметров анодной цепи. Чтобы сократить время включения тиристора, амплитуда импульса затвора должна быть в 3-5 раз больше минимального тока затвора тиристора.

Цепи зажигания SCR

Как мы видели выше, из различных методов срабатывания тиристора, срабатывание затвора является наиболее эффективным и надежным методом. Большинство приложений управления используют этот тип запуска, потому что желаемый момент поворота SCR возможен с помощью метода запуска затвора. Давайте посмотрим на различные схемы зажигания SCR.

Цепь возбуждения сопротивления

• На схеме ниже показано срабатывание сопротивления тиристора, когда он используется для управления нагрузкой от входного источника переменного тока. Комбинированная схема сопротивления и диода действует как схема управления затвором для переключения SCR в желаемое состояние.
• При подаче положительного напряжения тиристор смещен в прямом направлении и не проводит ток до тех пор, пока его ток затвора не превысит минимальный ток затвора тиристора.
• Когда ток затвора подается путем изменения сопротивления R2 таким образом, чтобы ток затвора был больше минимального значения тока затвора, SCR включается. И, следовательно, ток нагрузки начинает течь через SCR.
• Тиристор остается включенным, пока ток анода не сравняется с током удержания тиристора. И он выключится, когда приложенное напряжение равно нулю. Таким образом, ток нагрузки равен нулю, поскольку SCR действует как открытый переключатель.
• Диод защищает схему управления затвором от обратного напряжения затвора во время отрицательного полупериода входа. А сопротивление R1 ограничивает ток, протекающий через вывод затвора, и его значение таково, что ток затвора не должен превышать максимальный ток затвора.
• Это самый простой и экономичный тип триггера, но ограниченный для нескольких применений из-за его недостатков.
• При этом угол срабатывания ограничен только 90 градусами. Поскольку приложенное напряжение максимально при 90 градусов, поэтому ток затвора должен достигать минимального значения тока затвора где-то между 0 и 90 градусами.

Резистивно-емкостная (RC) цепь возбуждения

• Ограничение сопротивления цепи возбуждения может быть преодолено с помощью цепи запуска RC, которая обеспечивает управление углом возбуждения от 0 до 180 градусов. Изменяя фазу и амплитуду тока затвора, с помощью этой схемы достигается большой разброс угла открытия.
• На рисунке ниже показана RC-цепь запуска, состоящая из двух диодов с RC-цепью, подключенной для включения SCR.
• За счет изменения переменного сопротивления угол срабатывания или срабатывания регулируется в полном положительном полупериоде входного сигнала.
• В течение отрицательного полупериода входного сигнала конденсатор заряжается положительной нижней пластиной через диод D2 до максимального напряжения питания Vmax. Это напряжение остается равным -Vmax на конденсаторе до тех пор, пока напряжение питания не достигнет нуля.
• Во время положительного полупериода входа тиристор смещается в прямом направлении, и конденсатор начинает заряжаться через переменное сопротивление до значения напряжения срабатывания тиристора.
• Когда напряжение зарядки конденсатора равно напряжению срабатывания затвора, SCR включается, и на конденсаторе сохраняется небольшое напряжение. Таким образом, напряжение на конденсаторе полезно для срабатывания SCR даже после отклонения формы входного сигнала на 90 градусов.
• При этом диод D1 предотвращает отрицательное напряжение между затвором и катодом во время отрицательного полупериода входа через диод D2.

Цепь запуска UJT

• Это наиболее распространенный метод запуска SCR, поскольку длительные импульсы на затворе с использованием методов запуска R и RC вызывают большее рассеивание мощности на затворе, поэтому использование UJT (однопереходного транзистора) ) в качестве пускового устройства потери мощности ограничены, так как он производит серию импульсов.
• Сеть RC подключена к терминалу эмиттера UJT, который формирует схему синхронизации. Конденсатор фиксирован, в то время как сопротивление является переменным, и, следовательно, скорость зарядки конденсатора зависит от переменного сопротивления, что означает контроль постоянной времени RC.
• При подаче напряжения конденсатор начинает заряжаться через переменное сопротивление. Изменяя значение сопротивления, напряжение на конденсаторе меняется. Как только напряжение на конденсаторе становится равным пиковому значению UJT, он начинает проводить и, следовательно, выдает импульсы на выходе до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не сравняется с напряжением впадины Vv UJT. Этот процесс повторяется и производит серию импульсов на базовой клемме 1.
• Импульсный выход на базовой клемме 1 используется для включения тиристора через заданные интервалы времени.

Заключение

Полное руководство по различным типам методов включения SCR. Изучите некоторые основные основы SCR, методы включения SCR, такие как запуск по прямому напряжению, запуск по температуре, запуск по dv/dt, запуск по свету, запуск по воротам (и их типы). Также некоторые из популярных схем зажигания SCR.

 

Подробное описание методов включения SCR

13 октября 2018 г. от администратора

Методы включения SCR — это методы перевода SCR в режим прямой проводимости из режима прямой блокировки. SCR в режиме прямой проводимости характеризуется низким импедансом, низким падением напряжения на аноде и катоде и высоким анодным током. Величина анодного тока определяется нагрузкой. Таким образом, он позволяет протекать току. Следовательно, SCR в режиме прямой проводимости называется включенным состоянием и может рассматриваться как замкнутый переключатель. SCR является популярным представителем семейства тиристоров. Он настолько популярен, что слова тиристор и SCR используются как синонимы. Поэтому методы включения, описанные в этой статье, применимы как для SCR, так и для тиристоров.

В основном существует пять различных методов включения SCR:

• Запуск прямого напряжения
• Запуск ворот
• dv/dt Запуск
• Температурный или тепловой запуск
• Включение света

Вы можете заметить слово срабатывание в названии методов поворота SCR. Фактически само срабатывание означает перевод тиристора или тиристора в состояние ВКЛ из состояния ВЫКЛ. Теперь мы обсудим каждый из методов поворота SCR один за другим.

Запуск прямого напряжения

Внимательно прочитайте название этого метода. Там написано «срабатывание прямого напряжения». Это означает, что мы включим SCR, подав прямое напряжение на его клеммы. Что это значит? Это просто означает, что мы сделаем его смещенным в прямом направлении и будем увеличивать это напряжение смещения до тех пор, пока SCR не включится. Давайте теперь посмотрим, как увеличение напряжения прямого смещения приводит к включению SCR.

В SCR или тиристоре с прямым смещением контакты J1 и J3 смещены в прямом направлении, а соединение J2 смещено в обратном направлении. Следовательно, увеличение этого напряжения смещения сузит ширину обедненной области перехода J2, и при определенном напряжении эта обедненная область исчезнет. На этом этапе говорят, что смещенный в обратном направлении переход J2 имеет лавинный пробой, и это напряжение называется прямым напряжением пробоя. Название прямое напряжение отключения дано, так как при этом напряжении вольт-амперная характеристика тринистора разрывается и смещается в положение ВКЛ. См. характеристики V-I SCR, показанные ниже.

Вы можете заметить, что при напряжении прямого отключения V _BO кривая V-I ломается в точке M и смещается в положение включения N с током прямого отключения I _BO . Это причина; это критическое напряжение называется прямым напряжением пробоя.

Как только происходит лавинный пробой на переходе J2, начинает течь ток от анода к катоду тринистора. Значение этого анодного тока ограничивается только нагрузкой. Таким образом, SCR теперь находится в режиме проводимости в прямом направлении, то есть от анода к катоду. Это метод прямого запуска для включения SCR.

Обычно этот метод не используется для включения SCR, так как это может повредить его. Как правило, прямое напряжение пробоя меньше, чем обратное напряжение пробоя, и, следовательно, обратное хлебное напряжение считается окончательным номинальным напряжением при проектировании SCR. Следует также отметить и иметь в виду, что при возникновении лавинного обвала на стыке J2 блокирующая способность J2 теряется. Следовательно, если анодное напряжение упадет ниже напряжения прямого пробоя, тиристор будет продолжать работать. Теперь тиристор можно отключить, уменьшив его анодный ток ниже определенного значения, называемого током удержания.

Запуск затвора

Запуск затвора — это метод, при котором положительный ток затвора проходит через SCR с прямым смещением, чтобы включить его. Срабатывание шлюза на самом деле является наиболее надежным, простым и эффективным способом включения SCR. В этом методе положительное напряжение затвора между выводами затвора и катода подается в SCR с прямым смещением, который устанавливает ток затвора от вывода затвора к катоду.

При подаче положительного тока затвора p-слой затвора заполняется электронами с катода (n-сторона). Это связано с тем, что n-слой катода сильно легирован по сравнению с p-слоем затвора. Поскольку переход J1 и J3 уже смещен в прямом направлении, инжектированные электроны в p-слое затвора могут достичь перехода J2 и, следовательно, уменьшить ширину обедненной области. В результате снижается прямое напряжение пробоя. На самом деле, чем больше электронов инжектировано в p-слой затвора, тем больше вероятность того, что электроны достигнут J2. Это означает, что чем больше значение тока затвора, тем больше будет снижение прямого напряжения пробоя. Таким образом, ток затвора и прямое напряжение пробоя обратно пропорциональны.

См. рисунок ниже. Это вольт-амперная характеристика DSCR для различных значений тока затвора I _g .

На приведенной выше кривой можно наблюдать и отметить следующие точки:

• Когда ток затвора I _g равен нулю, прямое напряжение отключения составляет V _BO .
• По мере увеличения тока затвора от нуля до I _g1 прямое напряжение пробоя уменьшается с V _BO до V ₁ . Точно так же его значение уменьшается от V ₁ до V ₃ по мере увеличения тока затвора от I _g1 до I _g3 .

Таким образом, тринистор можно включить, подав ток затвора. Следует отметить, что SCR включается за счет прямого напряжения пробоя, хотя это напряжение значительно снижается из-за положительного тока затвора.

Как только SCR начинает проводить ток в прямом направлении, соединение J2 с обратным смещением больше не существует. Следовательно, ток затвора не требуется, чтобы SCR или тиристор оставались во включенном состоянии. Следовательно, если ток затвора удален, проводимость тока от анода к катоду не изменяется. Однако, если ток затвора уменьшится до нуля до того, как анодный ток поднимется до определенного значения, называемого током фиксации, тринистор или тиристор снова отключится. Это означает, что мы не должны отключать ток затвора до тех пор, пока ток анода не пересечет ток фиксации.

Ток фиксации определяется как минимальное значение анодного тока, которое должно быть достигнуто в процессе включения тринистора, чтобы сохранить проводимость, даже если ток затвора отключен.

Как только SCR или тиристор начинает проводить ток, затвор теряет контроль. SCR или тиристор теперь могут быть выключены только в том случае, если анодный ток становится ниже заданного значения анодного тока. Это значение анодного тока, ниже которого SCR выключается, называется током удержания. Как видно из ВАХ тиристора, значение тока фиксации больше, чем ток удержания.

Ток удержания определяется как минимальное значение анодного тока, ниже которого он должен упасть для выключения тринистора или тиристора.

Запуск по dv/dt

Запуск по dv/dt — это метод, при котором тринистор включается путем изменения напряжения прямого смещения во времени. Сам dv/dt означает скорость изменения напряжения по отношению ко времени.

Как мы обсуждали ранее в этом посте, соединение J2 смещено в обратном направлении в режиме прямой блокировки SCR. Переход с обратным смещением можно рассматривать как конденсатор из-за наличия объемных зарядов вблизи перехода с обратным смещением. Предположим, что его емкость равна «С» фарад. Заряд на конденсаторе, напряжение на конденсаторе и емкость связаны следующим образом:

Q = CV

Дифференцируя обе стороны по времени, получаем

dQ/dt = C(dV/dt)

Но ток I = dQ/dt

⇒ I = C(dV/dt) Таким образом,

2

ток через перевернутый смещенный переход J2 прямо пропорционален (dv/dt). Следовательно, если скорость нарастания прямого напряжения, т. е. (dv/dt), высока, зарядный ток I также будет высоким. Этот зарядный ток действует как ток затвора и включает тринистор или тиристор, даже если ток затвора равен нулю. Следует отметить, что именно скорость нарастания напряжения отвечает за включение SCR. Оно не зависит от величины напряжения. Напряжение может быть низким, но скорость его нарастания должна быть достаточно высокой, чтобы включить SCR.

Запуск по температуре

Запуск по температуре также называется запуском по температуре. Как известно, в переходе с обратным смещением протекает обратный ток насыщения, величина которого зависит от температуры перехода. Это означает, что в режиме прямой блокировки тринистора или тиристора через переход J2 будет протекать обратный ток насыщения. Этот ток повысит температуру перехода, что, в свою очередь, приведет к дальнейшему увеличению обратного тока утечки. Этот увеличенный ток утечки снова повысит температуру перехода и, следовательно, еще больше увеличит обратный ток утечки. Таким образом, этот процесс является кумулятивным и в конечном итоге приведет к исчезновению области обеднения обратно смещенного перехода J2 при некоторой температуре. При этой температуре SCR включится.

Световое срабатывание

При световом срабатывании импульс света подходящей длины волны направляется оптическими волокнами для включения SCR.