принцип работы и способы управления

Тиристор — электронный компонент, изготовленный на основе полупроводниковых материалов, может состоять из трёх или более p-n-переходов и имеет два устойчивых состояния: закрытое (низкая проводимость), открытое (высокая проводимость).

Это сухая формулировка, которая для тех, кто только начинает осваивать электротехнику, абсолютно ни о чём не говорит. Давайте разберём принцип работы этого электронного компонента для обычных людей, так сказать, для чайников, и где его можно применить. По сути, это электронный аналог выключателей, которыми вы каждый день пользуетес

Есть много типов этих элементов, обладающие различными характеристиками и имеющие различные области применения. Рассмотрим обычный однооперационный тиристор.

Способ обозначения на схемах показан на рисунке 1.

Электронный элемент имеет следующие выводы:

• анод — положительный вывод;
• катод — отрицательный вывод;
• управляющий электрод G.

Принцип действия тиристора

Основное применение этого типа элементов — это создание на их основе силовых тиристорных ключей для коммутации больших токов и их регулирования. Включение выполняется сигналом, переданным на управляющий электрод. При этом элемент является не полностью управляемым, и для его закрытия необходимо применение дополнительных мер, которые обеспечат падение величины напряжения до нуля.

Если говорить, как работает тиристор простым языком, то он, по аналогии с диодом, может проводить ток только в одном направлении, поэтому при его подключении нужно соблюдать правильную полярность. При подаче напряжения к аноду и катоду этот элемент будет оставаться закрытым до момента, когда на управляющий электрод будет подан соответствующий электрический сигнал. Теперь, независимо от наличия или отсутствия управляющего сигнала, он не изменит своего состояния и останется открытым.

Условия закрытия тиристора:

1. Снять сигнал с управляющего электрода;
2. Снизить до нуля напряжение на катоде и аноде.

Для сетей переменного тока выполнение этих условий не вызывает особых трудностей. Синусоидальное напряжение, изменяясь от одного амплитудного значения до другого, снижается до нулевой величины, и если в этот момент управляющего сигнала нет, то тиристор закроется.

В случае использования тиристоров в схемах постоянного тока для принудительной коммутации (закрытия тиристора) используют ряд способов, наиболее распространённым является использование конденсатора, который был предварительно заряжен. Цепь с конденсатором подключается к схеме управления тиристором. При подключении конденсатора в цепь произойдёт разряд на тиристор, ток разряда конденсатора будет направлен встречно прямому току тиристора, что приведёт к уменьшению тока в цепи до нулевого значения и тиристор закроется.

Можно подумать, что применение тиристоров неоправданно, не проще ли использовать обычный ключ? Огромным плюсом тиристора является то, что он позволяет коммутировать огромные токи в цепи анода-катода при помощи ничтожно малого управляющего сигнала, поданного в цепь управления. При этом не возникает искрения, что немаловажно для надёжности и безопасности всей схемы.

Схема включения

Схема управления может выглядеть по-разному, но в простейшем случае схема включения тиристорного ключа имеет вид, показанный на рисунке 2.

К аноду присоединена лампочка L, а к ней выключателем К2 подключается плюсовая клемма источника питания G. B. Катод соединяется с минусом питания.

После подачи питания выключателем К2 к аноду и катоду будет приложено напряжение батареи, но тиристор остаётся закрытым, лампочка не светится. Для того чтобы включить лампу, необходимо нажать на кнопку К1, сигнал через сопротивление R будет подан на управляющий электрод, тиристорный ключ изменит своё состояние на открытое, и лампочка загорится. Сопротивление ограничивает ток, подаваемый на управляющий электрод. Повторное нажатие на кнопку К1 никакого влияния на состояние схемы не оказывает.

Для закрытия электронного ключа нужно отключить схему от источника питания выключателем К2. Этот тип электронных компонентов закроется, и в случае снижения напряжения питания на аноде до определённой величины, которая зависит от его характеристик. Вот так можно описать, как работает тиристор для чайников.

Характеристики

К основным характеристикам можно отнести следующие:

• Максимально допустимый прямой ток — наибольшая возможная величина тока открытого элемента;
• Максимально допустимый обратный ток — ток при максимальном обратном напряжении;
• Прямое напряжение — падение величины напряжения при максимальном токе;
• Обратное напряжение — наибольшая допустимая величина напряжения в закрытом состоянии;
• Напряжение включения — наименьшее напряжение при котором сохраняется работоспособность электронного устройства;
• Минимальный и максимальный ток управляющего электрода;
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Рассматриваемые элементы, кроме электронных ключей, часто применяются в регуляторах мощности, которые позволяют изменять подводимую к нагрузке мощность за счёт изменения среднего и действующего значений переменного тока. Величина тока регулируется изменением момента подачи на тиристор открывающего сигнала (за счёт варьирования угла открывания). Углом открытия (регулирования) называется время от начала полупериода до момента открытия тиристора.

Типы данных электронных компонентов

Существует немало различных типов тиристоров, но наиболее распространены, помимо тех что мы рассмотрели выше, следующие:

• динистор — элемент, коммутация которого происходит при достижении определённого значения величины напряжения, приложенного между анодом и катодом;
• симистор;
• оптотиристор, коммутация которого осуществляется световым сигналом.

Симисторы

Хотелось бы более подробно остановиться на симисторах. Как говорилось ранее, тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, поэтому при установке их в цепи переменного тока, такая схема регулирует один полупериод сетевого напряжения. Для регулирования обоих полупериодов необходимо установить встречно-параллельно ещё один тиристор либо применить специальные схемы с использованием мощных диодов или диодных мостов. Все это усложняет схему, делает её громоздкой и ненадёжной.

Вот для таких случаев и был изобретён симистор. Поговорим о нем и о принципе работы для чайников. Главное отличие симисторов от рассмотренных выше элементов заключается в способности пропускать ток в обоих направлениях. По сути, это два тиристора с общим управлением, подключённые встречно-параллельно (рисунок. 3 А).

Условное графическое обозначение этого электронного компонента показано на Рис. 3 В. Следует заметить, что называть силовые выводы анодом и катодом будет не корректно, так как ток может проводиться в любом направлении, поэтому их обозначают Т1 и Т2. Управляющий электрод обозначается G. Для того чтобы открыть симистор, необходимо подать управляющий сигнал на соответствующий вывод. Условия для перехода симистора из одного состояния в другое и обратно в сетях переменного тока не отличаются от способов управления, рассмотренных выше.

Применяется этот тип электронных компонентов в производственной сфере, бытовых устройствах и электроинструментах для плавного регулирования тока. Это управление электродвигателями, нагревательными элементами, зарядными устройствами.

В завершение хотелось бы сказать, что и тиристоры и симисторы, коммутируя значительные токи, обладают весьма скромными размерами, при этом на их корпусе выделяется значительная тепловая мощность. Проще говоря, они сильно греются, поэтому для защиты элементов от перегрева и теплового пробоя используют теплоотвод, который в простейшем случае представляет собой алюминиевый радиатор.

Простое управление тиристором » Журнал практической электроники Датагор (Datagor Practical Electronics Magazine)

Предлагаю для любителей схемку, которую «открыл» (для себя) сам.
Случилось это, когда искал возможность плавно регулировать (через тиристор) яркость ламп накаливания. Применения: Цветомузыка, плавно включить/выключить свет в помещении (круто и лампы реже перегорают), мощность на паяльнике, позже появилась мысль использовать в зарядном устройстве для автомобильных АКБ. При простой схеме ведёт себя как довольно сложные с фазоимпульсным управлением тиристором. Позже, уже имея осцилограф, понял как примерно она работает. Естественно, делюсь мнением.
Зависимость яркости лампы от напряжения на входе примерно такая:
Это было то, что мне нужно.

Думаю, что изменением R1 можно пропорционально изменить U упр, при котором достигается максимальная яркость (уменьшить этот порог меньше 2…3 Вольт не получится, но я и не пробовал). R2 стоит на всякий случай, чтобы уменьшить рассеиваемую на транзисторе мощность (где-то видел и решил что надо). От транзистора требуется выдержать максимальное приложенное к нему напряжение, в моём случае более 300V. От диода тоже, а нужен он в случае, если на аноде тиристора возможно отрицательное напряжение.

Рассмотрим работу этого «открытия». Если управляющее напряжение менее 1V – всё закрыто. Лампа не горит. В других случаях: когда начинается положительный полупериод сети, начинает заряжаться и конденсатор через цепь управления. Потенциал на управляющем электроде тиристора будет повторять потенциал на верхней обкладке конденсатора, но со сдвигом 0.6V вниз. При достижении порога открывания тиристора он и откроется. Напряжение на коллекторе транзистора станет меньше, чем на эмитере, и усиливать ток базы он уже не будет. Ток базы станет равен току эмитера (в 20…50 раз больше, чем был до открывания тиристора). Конденсатор, вследствие этого, начнёт разряжаться, напряжение на нём падать до уровня ниже уровня запуска тиристора и будет таким, пока не закроется тиристор. А закроется он при прохождении напряжения сети через ноль. Затем всё начнётся заново. И чем больше будет управляющее напряжение, тем ближе к началу полупериода откроется тиристор, ярче будет гореть лампа. Вот и всё.

Несколько наблюдений: для ламп до 100 ватт – радиатор под тиристор необязателен, при двух- и при одно-полупериодном применении ничего менять не надо (выпрямитель, конечно, нужен), подойдут тиристоры с током запуска, отличающимся не более чем в два раза в большую или меньшую сторону по сравнению с КУ 202 (КУ201, более современные с током анода 5…25А), для одно-полупериодного применения пойдут и симисторы с током анода 5…30А без других изменений. Я нигде не ставил радиатор транзистору (не грелся), ток управления тиристором должен быть не более 10 mA (не замерял), следовательно транзистор и диод на 100 mA дадут достаточную надёжность.

Мне это кажется таким простым, что даже не знаю, о чём ещё писать.
Постараюсь позже представить Вашему вниманию пару применений данной идеи.

И ещё: дико извиняюсь если всем это давно известно.

Камрад, смотри полезняхи!

Аурел (AKM)

Молдова, Кишинёв

Люблю что-то делать своими руками. электросеть,отопление,мебель,и особенно разные схемы. До паяльника дорвался в 8 классе.
Начал как положено с детекторного. Напаял ЦМУ, зарядные для автомобильных АКБ, УЗЧ, Собирал телевизоры, дорабатывал Ноту 220С,
таймера, ДУ, БП, разную мелочь.
Есть небольшие свои разработки. Пришёл за информацией. Не верю мелким дом. кинотеатрам. Хочу сделать всё из «авто»-динамиков. Вижу я не один.

 

ток управления тиристором | Электрознайка. Домашний Электромастер.

 Тиристор в цепи переменного тока. Фазовый метод.

data-ad-client=»ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=»7451033986″>
♦     Известно, что электрический ток в бытовой и промышленной сети изменяется по синусоидальному закону. Форма переменного электрического тока частотой 50 герц, представлена на рис 1 а).

За один период, цикл, напряжение меняет свое значение: 0 → (+Umax) → 0 → (-Umax) → 0.
Если представить себе простейший генератор переменного тока (рис 1 б) с одной парой полюсов, где получение синусоидального переменного тока определяет поворот рамки ротора за один оборот, то каждое положение ротора в определенное время периода соответствует определенной величине выходного напряжения.

Или, каждому значению величины синусоидального напряжения за период, соответствует определенный угол α поворота рамки. Фазовый угол α, это угол, определяющий значение периодически изменяющейся величины в данный момент времени.

В момент фазового угла:

•  α = 0°     напряжения U = 0;
• α = 90°     напряжение  U = +Umax;
• α=180°     напряжение  U = 0;
• α = 270°  напряжение  U = — Umax;
• α = 360°  напряжение  
  U = 0.

♦     Регулировка напряжения с помощью тиристора в цепях переменного тока как раз и использует эти особенности синусоидального переменного тока.
Как упоминалось ранее в статье  «Что такое динистор и тиристор?» :  тиристор, это полупроводниковый прибор, работающий по закону управляемого электрического вентиля. Он имеет два устойчивых состояния. В определенных условиях может иметь проводящее состояние (открыт) и непроводящее состояние (закрыт).
♦     Тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. С помощью управляющего электрода можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть изменять электрические параметры вентиля.

Тиристор может пропускать электрический ток только в одном направлении — от анода к катоду (симистор пропускает ток в обоих направлениях).
Поэтому, для работы тиристора, переменный ток необходимо преобразовать (выпрямить с помощью диодного мостика) в пульсирующее напряжение положительной полярности с переходом напряжения через ноль, как на Рис 2.

♦     Способ управления тиристором сводится к тому, чтобы в момент времени t (во время действия полупериода Uс) через переход Уэ – К, прошел ток включения Iвкл тиристора.

С этого момента через тиристор идет основной ток катод — анод,  до следующего перехода полупериода через ноль, когда тиристор закроется.

Ток включения Iвкл тиристора можно получить разными способами.
1. За счет тока протекающего через: +U – R1 – R2 – Уэ – K – -U (на схеме рис 3).
2. От отдельного узла формирования управляющих импульсов и подаче их между управляющим электродом и катодом.

♦     В первом случае ток управляющего электрода  протекает через переход Уэ – К, постепенно увеличивается (нарастая вместе с напряжением Uс), пока не достигнет величины Iвкл. Тиристор откроется.

Такой способ управления тиристором называется

фазовым методом.

♦     Во втором случае сформированный в специальном устройстве, короткий импульс в нужный момент времени подается на переход Уэ – К, от которого тиристор открывается.

Такой способ управления тиристором называется импульсно – фазовым методом.
В обоих случаях ток, управляющий включением тиристора, должен быть синхронизирован с началом перехода сетевого напряжения Uс через ноль.
Действие управляющего электрода сводится к управлению моментом включения тиристора.

Фазовый метод управления тиристором.

♦     Попробуем на простом примере тиристорного регулятора освещения (схема на рис.3) разобрать особенности работы тиристора в цепи переменного тока.

После выпрямительного мостика напряжение представляет собой пульсирующее напряжение, изменяющееся в виде:
0→ (+Umax) → 0 → (+Umax) → 0,    как на рис.2

♦     Начало управления тиристором сводится к следующему.
При возрастании напряжения сети Uс, от момента перехода напряжения через ноль, в цепи управляющего электрода появляется ток управления Iуп по цепи:
+U – R1 – R2 – Уэ – К – -U.
С ростом напряжения Uс растет и ток управления Iуп (управляющий электрод — катод).

При достижении тока управляющего электрода величины

Iвкл, тиристор включается (открывается) и замыкает точки +U и –U на схеме.

Падение напряжения на открытом тиристоре (анод — катод) составляет 1,5 – 2,0 вольта. Ток управляющего электрода упадет почти до нуля, а тиристор останется в проводящем состоянии до момента, когда напряжение Uс сети не упадет до нуля.
С действием нового полупериода напряжения сети, все повторится сначала.

♦     В цепи протекает только ток нагрузки, то есть ток через лампочку Л1 по цепи:
Uс – предохранитель – диодный мост – анод — катод тиристора – диодный мост – лампочка Л1 — Uс.
Лампочка будет загораться с каждым полупериодом сетевого напряжения и тухнуть при переходе напряжения через ноль.

Проведем небольшие вычисления для примера рис.3. Используем данные элементов как на схеме.
По справочнику для тиристора КУ202Н ток включения Iвкл = 100 мА. В реальности же он намного меньше и составляет 10 – 20 мА, в зависимости от экземпляра.
Возьмем для примера Iвкл = 10 мА.
Управление моментом включения (регулировка яркости) происходит путем изменения величины переменного сопротивления резистора R1. Для разных значений резистора R1, будут разные напряжения пробоя тиристора. При этом момент включения тиристора будет меняться в пределах:

1. R1 = 0, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (0 + 2 = 20 вольт.
2. R1 = 14,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (13 + 2) = 150 вольт.
3. R1 = 19,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (18 + 2) = 200 вольт.
4. R1 = 29,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (28 + 2) = 300 вольт.
5. R1 = 30,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (308 + 2) = 310 вольт.

Фазовый угол α изменяется в пределах от а = 10,  до а = 90  градусов.
Примерный результат этих вычислений приведен на рис. 4.

♦     Заштрихованная часть синусоиды соответствует выделяемой мощности на нагрузке.
Регулировка мощности фазовым методом, возможна только в узком диапазоне угла управления от a = 10°,  до а = 90°.
То есть, в пределах от 90% до 50% мощности выделяемой на нагрузке.

Начало регулирования от фазового угла а = 10 градусов объясняется тем, что в момент времени t=0 – t=1, ток в цепи управляющего электрода еще не достиг значения Iвкл (Uс не достигло величины 20 вольт).

Все эти условия выполнимы в случае, если в схеме нет конденсатора С.
Если поставить конденсатор С (в схеме рис 2), диапазон регулирования напряжения (фазового угла) сместится вправо как на рис.5.

Это объясняется тем, что в первое время (t=0 – t=1), весь ток идет на зарядку конденсатора С, напряжение между Уэ и К тиристора равно нулю и он не может включится.

Как только конденсатор зарядится, ток пойдет через управляющий электрод – катод, тиристор включится.

Угол регулирования зависит от емкости конденсатора и сдвигается примерно от а = 30 до а = 120 градусов (при емкости конденсатора 50 мкФ).
Мощность нагрузки будет изменяться приблизительно от 80% до 30%.

Разумеется, все приведенные расчеты весьма приблизительны, но общие рассуждения верны.

Все выше приведенные эпюры напряжений, в разные временные значения, хорошо просматривались на экране осциллографа.

У кого есть осциллограф, можно посмотреть самому

data-ad-client=»ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=»7451033986″>

Последовательное включение тиристоров | Техника и Программы

При последовательном соединении тиристоров необходимо обеспечить равенство напряжений на каждом из тиристоров во всех условиях их работы. Существует четыре основных режима работы тиристоров:

•                включение,

•                пропускание тока в прямом направлении,

•                выключение,

•                работа в выключенном состоянии при напряжении, приложенном в прямом или обратном направлении.

В наборе из последовательно соединенных тиристоров при включении самому медленному прибору, пока он не включится, достанется непропорционально большая доля приложенного к цепочке напряжения. Таким образом, необходимо включать каждый тиристор так быстро, как это только возможно, для чего необходимо на их управляющие электроды подавать ток со скоростью нарастания 3…5 А за 500 нс. Впрочем, чем больше и быстрее, тем почти всегда лучше. Напряжение цепи управления на холостом ходу должно составлять 20…40 В.

Рис. 11.1 повторяет Рис. 10.2 и демонстрирует типовую форму импульса управления тиристорами при их последовательном соединении. Если управление осуществляется через оптоволоконный канал, то дисперсия временных параметров излучателей и детекторов в разных звеньях должна быть сведена к минимуму.

Рис. ii.i. Типовая форма импульса управления

Для управления последовательно включенными тиристорами было разработано множество схем. На Рис. 11.2 (слева) приведена схема с высоковольтным изолированным кабелем, продетым через набор тороидальных сердечников токовых трансформаторов, вторичные обмотки которых способны подать напряжение в несколько десятков вольт на оптоволоконные схемы управления тиристорами. Через кабель обычно пропускают ток порядка 100 А при частоте 60 Гц. Эта схема запуска тиристоров весьма популярна для устройств коррекции коэффициента мощности при средних уровнях напряжения. В центре показана конструкция с индивидуальными трансформаторами для питания каждой оптоволоконной схемы управления тиристорами. Для уменьшения размеров трансформаторов в этом случае часто применяют высокочастотное напряжение в их входных цепях. Справа изображена схема с импульсными трансформаторами в цепях управления каждого тиристора. Хотя эта схема и весьма успешно применяется в системах со средним напряжением, трансформаторы в ней требуют аккуратного проектирования и испытаний на электрическую прочность изоляции и время нарастания тока в режиме поддержания. Разновидностью этой схемы является схема с одним импульсным трансформатором, имеющим одну первичную и несколько вторичных обмоток, успешно применяемая в оборудовании класса 5 кВ. В большинстве этих схем взамен одного импульса управления используется последовательность из нескольких более коротких импульсов.

Рис. 11.2. Схемы управления тиристорами при их последовательном соединении

Еще одна конструкция, применяемая при самых высоких напряжениях, показана в упрощенном виде на Рис. 11.3. В этой конструкции напряжение питания схемы управления тиристорами получается из их напряжения анод-катод. Необходимость некоторого времени для заряда накопительного конденсатора ограничивает возможность работы этой конструкции при малых углах задержки включения тиристора, но после заряда конденсатора схема управления каждый период способна вырабатывать по два импульса управления, разделенные интервалом в 60°. Эта конструкция не может обеспечить большие токи управления из-за существенного увеличения в ней потерь мощности. Принципы этой конструкции используются в системах HVDC.

Рис. 11.3. Схема управления тиристорами при их последовательном соединении с питанием от цепи анод-катод

В дополнение к тиристорам, управляемым электрическими сигналами, существуют две их разновидности, включаемые непосредственно светом. Некоторые большие тиристоры управляются мощным световым потоком, создаваемым лазером. В других тиристорах встроены дополнительные управляющие тиристоры, для включения которых требуется менее интенсивный свет. В настоящее время это управление является областью приложения усилий многих разработчиков.

Способы управления тиристоров, рассмотренные выше, отвечают требованиям обеспечения одновременности их включения при последовательном соединении. А вот с выключением дело обстоит посложнее. График тока при выключении тиристора, приведенный на Рис. 10.3, в случае, например, трех последовательно включенных тиристоров превращается в график, приведенный на Рис. 11.4. Тиристор 1 начинает выключаться первым, и, как только на нем начинается рост напряжения, значение di/dt уменьшается и восстановление тиристоров 2 и 3 замедляется. При этом тиристору 1 может достаться непропорционально большая доля напряжения, ведь тиристоры 2 и 3 еще находятся в проводящем состоянии. Можно было бы подобрать тиристоры по их времени восстановления, но это дает мало пользы, так как на время восстановления оказывают сильное влияние температура и значение di/dt в схеме. Уравнения, приведенные на Рис. 10.4, можно приспособить для расчетов применительно к цепочке тиристоров и определить разбаланс в обратных напряжениях.

Рис. 11.4. Ток через тиристоры при их выключении

Стандартным приемом обеспечения равномерности распределения напряжений последовательно включенных тиристоров при выключении является добавление йС-цепочек параллельно каждому тиристору (Рис. 11.5). Постоянная времени R^C выбирается сравнимой со временем восстановления тиристоров.

Рис. 11.5. Элементы для балансированш тиристоров при их последовательном включении

Цепь RlC не окажет никакой помощи в балансировании напряжений на тиристорах, когда они уже заперты и к ним приложено прямое или обратное напряжение. Постоянная времени R^C слишком мала, так что разность этих напряжений просто перезарядит соответствующие конденсаторы. Для того чтобы сбалансировать эти напряжения, в схему вводят резистор R2. Его номинал выбирают так, чтобы ток через него был раз в 5…10 больше, чем ток утечки у применяемых тиристоров. Резистор R1 должен быть безындуктивным, а R2 — не обязательно этого типа. Параметры элементов R1, R2 и С и потери в тиристорах следует проверить с помощью компьютерного моделирования.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).