Тиристорный ключ: Тиристорный ключ переменного тока — Морской флот

Для трехэлектродных тиристоров значение U ПР.МАКС можно увеличить, если зашунтировать управляющий переход или подать на него отрицательное смещение, что вызывает протекание в цепи управляющего электрода запирающего тока I У.ОБР , причем в случае шунтирования управляющего перехода ток I

Сопротивление тиристорного ключа в закрытом состоянии определяется током утечки в прямом направлении I УТ , измеренным при напряжении U ПР.МАКС и максимально допустимой температуре, и током I К0 центрального перехода П 2 . Это позволяет использовать в качестве эквивалентной схемы тиристора в закрытом состоянии сопротивление, величина которого равна R ОБР , и источник тока I К0 .

Сопротивление ключа в открытом состоянии определяется остаточным напряжением U ОБР , измеренным при протекании максимального прямого тока I ПР.МАХ , который задается исходя из максимально допустимой мощности рассеивания на тиристоре Р МАХ . Это позволяет заменить открытый тиристор эквивалентным сопротивлением

Переключение тиристора из закрытого состояния в открытое должно осуществляться подачей отпирающего импульса в цепь управления для трехэлектродных приборов — триодных (ТТ) и запираемых (ЗТ) тиристоров или в цепь анод-катод для диодных тиристоров (ДТ). Между амплитудой импульса U ВКЛ.ИМП , переключающего ДТ в открытое состояние, которую в соответствии со справочными обозначениями, принятыми для диодных тиристоров, будем обозначать U ПУСК , и статическим значением U ВКЛ не существует корреляционного соответствия. Амплитуда U ПУСК в основном зависит от длительности фронта импульса отпирающего напряжения на аноде тиристора

Для отпирания импульсного ключа, выполненного на трехэлектродном приборе (ТТ или ЗТ), и запирания ключа на ЗТ необходимо обеспечить протекание определенного импульса тока в цепи управления тиристора. Амплитуда этого импульса, прежде всего, зависит от его длительности, а при запирании — и от величины прямого тока анода I ПР , протекающего через открытый тиристор.

Одним из основных параметров, характеризующих процесс отпирания трехэлектродных тиристоров, является импульсный ток спрямления

Поскольку импульсный ток управления I У.ОБР запирающий тиристор, зависит от тока анода I ПР , то управляемость запираемого тиристора характеризуется импульсным коэффициентом запирания B ЗАП = I ПР / I ЗАП (при I У.ОБР = I ЗАП тиристор запирается).

Длительность процесса отпирания характеризуется временем задержки t З (ток анода возрастает до 0,1 I ПР ) и временем установления прямого сопротивления t УСТ

Время переключения тиристорного ключа, несмотря на действие сильной внутренней положительной обратной связи составляет существенно большую величину, чем аналогичный параметр у транзисторных ключей. Это объясняется режимом глубокого насыщения p-n-p-n — структуры и связанным с ним накоплением и рассасыванием большого объемного заряда. Из-за этого время включения тиристора составляет единицы микросекунд, а выключения — десятки и сотни микросекунд, уменьшаясь у высокочастотных тиристоров и тиристоров, прямой ток которых существенно меньше максимально допустимого.

Заметим, что при активно-индуктивном характере нагрузки тиристорного ключа нарастание прямого тока определяется не только и не столько инерционностью самого прибора, сколько постоянной времени нагрузки. Для таких ключей длительность управляющих импульсов выбирается не только по минимально заданным справочным данным, но и в зависимости от постоянной времени нагрузки, учитывая, что в течении длительности импульса управления прямой ток должен успеть превысить величину I ВЫКЛ .

К числу параметров, характеризующих отпирание тиристорного ключа, следует отнести и максимально допустимую скорость нарастания анодного тока (dI ПР /dt) MAX . Ограничение скорости

Построение и расчет цепей отпирания, выключения и запирания тиристорных ключей являются первоочередными задачами, которые приходится решать при проектировании тиристорных устройств. При этом под выключением тиристоров понимается их выключение пo анодной цепи, а под запиранием — выключение по цепи управляющего электрода.

Анализ цепей отпирания. Цепь отпирания должна обеспечить включение от импульса сигнала управления, защиту тиристора от отпирающего импульса помехи и запас по минимально допустимому режиму входной цепи прибора. Эти требования необходимо удовлетворить в заданном диапазоне внешних, например, температурных, воздействий для любого тиристора выбранного типа.

Для обеспечения гарантированного включения тиристора и исключения его срабатывания от сигнала помехи U ПОМ необходимо удовлетворить неравенства

где U ПОМ.У и I ПОМ.У — допустимые значения напряжения и тока помехи, действующей в управляющей цепи.

В случае индуктивного характера нагрузки (рис. 4.7.1-а) длительность импульса управления необходимо увеличить до значения

где I ПР — установившееся значение тока нагрузки; — постоянна» времени цепи нагрузки; τ Н = L Н /R Н ; t ВКЛ — длительность импульса управления при чисто активной нагрузке.

Для уменьшения длительности управляющих импульсов индуктивную нагрузку целесообразно шунтировать активным сопротивлением или последовательной R С -цепью (рис. 4.7.1-б и -в), параметры которых для схемы рис. 4.7.1, а выбираются из условия

а для схемы рис. 4.7.1.

;

Применение резистивно-емкостного шунта уменьшает потери мощности по сравнению с чисто резистивным шунтом, однако при

в схеме могут возникнуть колебательные процессы.Основные схемы цепей отпирания ключей на тиристорах показаны на рис. 4.7.2. Включение диода в управляющую цепь тиристора (рис. 4.7.2, —а и —б ) исключает протекание обратного тока через управляющий переход, что не допускается для обычных триодных тиристоров, а включение R Ш повышает устойчивость тиристоров против самопроизвольного включения В схеме (рис. 4.7.2-

Схемы цепей отпирания ключей на диодных тиристорах приведены на рис. 4.7.2 г-е. При подаче короткого импульса положительной (рис 4.7.2-г ) или отрицательной (рис. 4.7.2-д) полярности в цепи анод — катод тиристора через емкость центрального перехода C П2 =C S протекает ток, который обеспечивает накопление в базах S заряда Q ВКЛ , необходимого для отпирания прибора. Диод D 1 увеличивает входное сопротивление схемы. Для отпирания S в схеме рис. 4.7.2-д должны выполняться неравенства

и

а в схеме рис. 4.7.2 —г и д — неравенства

и

где t Ф.МАХ — максимальная длительность фронта входного импульса C S — емкость тиристора.

А

нализ цепей выключения. Для выключения тиристора по аноду необходимо уменьшить протекающий через тиристор ток до величины меньшей I ВЫКЛ.MIN , на время большее t ВЫКЛ . В цепях постоянного тока эта задача решается с помощью транзисторного ключа или коммутирующих реактивных элементов

Схемы выключения тиристорного ключа с последовательным и параллельным транзисторами показаны на рис. 4.7.3 –а и —б. Последовательный

транзистор, запираясь оложительным импульсом, прерывает протекание тока через тиристор на время t И > t ВЫКЛ . Дополнительное подключение Е 0 повышает надежность выключения, компенсируя ток I К0 закрытого транзистора, и способствует повышению скорости рассасывания объемного заряда и, тем самым, уменьшает время выключения тиристора.

В схеме с параллельным транзистором при его отпирании основная часть анодного тока тиристора ответвляется через транзистор, прямой ток тиристора уменьшается ниже I ВЫКЛ.MIN и тиристор запирается. Для повышения надежности запирания последовательно с тиристором можно включить диод D , который увеличивает остаточное напряжение и сопротивление шунтируемой транзистором цепи и тем самым уменьшает протекающий в ней при открытом транзисторе ток.

Поскольку в тиристорных ключах с транзисторными схемами выключения рассасывание накопленного в структуре заряда происходит только за счет процессов рекомбинации, то время выключения тиристоров затягивается, а амплитуды коммутируемых токов и напряжений, определяемые характеристиками транзисторов, ограничивают область применения тиристорных ключей. Такие схемы выключения применяются только для маломощных тиристоров.

Б

олее широко в импульсной технике используются схемы выключения с помощью заряженного конденсатора и вспомогательного тиристора. Суть работы этих схем выключения заключается в том, что предварительно заряженный конденсатор с помощью вспомогательного тиристора подключается к основному тиристору таким образом, что ток его разряда направлен навстречу прямому току основного тиристора, что обеспечивает его форсированное запирание. Коммутирующий конденсаторС может быть подключен с помощью вспомогательного тиристора S2 параллельно основному тиристору S1 (рис. 4.7.4 –а-в), параллельно нагрузке (рис. 4.7.5 -г и д) или к соединенным последовательно тиристору S1 и нагрузке (рис. 4.7.4-е). Соответственно различают параллельную (рис. 4.7.4, а-д) и последовательную (рис. 4.7.4 -е) коммутации.

П

араметры коммутирующей емкостиС и дросселя L рассчитывают исходя из условия, при котором на основном тиристоре за время перезаряда конденсатора до нуля сохраняется обратное напряжение течение отрезка времени длительностью не меньше t ВЫКЛ . Заряд конденсаторов С обеспечивается специальной зарядной цепью, которая на рис. 4.7.4-б-е не показана.

Для формирования мощных коротких импульсов используется выключение тиристоров с помощью последовательного LC -контура. Основное преимущество способа заключается в простоте коммутирующих цепей (рис. 4.7.5), не содержащих вспомогательных тиристоров и зарядных цепей. Для выключения тиристора с помощью LC -контура ударного возбуждения при R Е/ I ВЫКЛ прежде всего необходимо, чтобы конденсатор разряжался (рис. 4.7.5- а и б) или заряжался (рис. 4.7.6-в) по колебательному закону и при этом выполнялось условие

где I 1 — значение первого отрицательного экстремума переменной составляющей тока, протекающего через индуктивность контура; R1 — сопротивление, учитывающее омическое сопротивление катушки и нагрузки.

В схеме рис. 4.7.5 -а после отпирания тиристора S и изменения направления тока, протекающего через индуктивность контура, открывается диод D . К тиристору в течение времени ∆t (пока открыт диод D и ток контура С — R1 — L — D превышает ток, равный E/(R+R1) ) прикладывается обратное напряжение. Значения L и С можно рассчитать по формулам

Коммутирующая цепь рис. 4.7.5-а позволяет построить схемы формирователей импульсов длительностью t И > t ВЫКЛ . Для формирования мощных коротких импульсов длительностью t И t ВЫКЛ можно использовать схемы рис. 4.7.5-б и в. В этой схеме коммутационный ток контура протекает через тиристор S в запирающем направлении, что форсирует процесс его запирания.

Анализ цепей запирания. Существует два вида цепей запирания ключей на запираемых тиристорах: с накопителем и без накопителей энергии.

Цепи с накопителем энергии представлены на рис. 4.7.6. В этих схемах включение (рис. 4.7.6 -а) или отключение (рис. 4.7.6 -б) ключа SA приводит к разряду энергии, накопленной в конденсаторе или индуктивности, в направлении, запирающем тиристор S . Схемы включения тиристора для простоты не показаны. Параметры элементов запирающей цепи выбираются из условия:

для схемы рис. 4.7.6 -б

;

Цепи запирания, не содержащие накопителей энергии, благодаря простоте, малым размерам и массе, а также высокому быстродействию могут наиболее успешно использоваться при построении тиристорных ключей на запираемых тиристорах.

Принцип запирания S без накопителей энергии показан на рис. 4.7.7-а. Запирание тиристора S , включенного ранее положительным импульсом через диод D при разомкнутом ключе SA, осуществляется замыканием ключа SA . При этом через управляющую цепь протекает обратный ток I У.ОБР , величина которого, согласно упрощенной эквивалентной схеме (рис. 4

.7.7-б), равна

Если соблюдается условие I У.ОБР ≥ I ПР /B ЗАП то тиристор закрывается. Минимальная величина R Н , при которой можно использовать этот метод, имеет место при R Б = 0 и может быть найдена из соотношения

(4.7.3)

В качестве ключа SA можно использовать маломощные транзистор или тиристор (рис. 4.7.8).

В

отсутствии запирающего сигналаU ЗАП транзистор T и тиристор S2 заперты, а тиристор S1 может быть включен сигналом U ОТП . При поступлении сигнала U ЗАП ключ в запирающей цепи открывается, пропуская через себя ток запирания S1 . В схеме 4.7.8 -в, где используется разделенная нагрузка, величина сопротивления R Н2 может быть выбрана из условия (4.7.3) при R Н = R Н2 .

Для коммутации силовых цепей переменного тока используются преиму­щественно тиристоры. Они способны пропускать большие токи при малом падении напряжения, включаются сравнительно просто подачей на управляющий электрод маломощного импульса управления. При этом их основной недоста­ток – трудность выключения – в цепях переменного тока не играет роли, так как переменный ток обязательно два раза за период проходит через нуль, что обеспечивает автоматическое выключение тиристора.

Схема однофазного тиристорного ключа приведена на рис. 8.7. Им­пульсы управления формируются из анодных напряжений тиристоров.

Если на аноде тиристора Д1 положительная полуволна напряжения, то при замыкании ключа К через диод ДЗ и резистор К пройдет импульс тока управления тиристором Д1. В результате тиристор Д1 включится, анодное напряжение упадет почти до нуля, сигнал управления исчезнет, но тири­стор останется в проводящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток не пройдет через нуль. В другой полупериод, при противоположной полярности напряжения сети, аналогично включается тиристор Д2. Пока ключ К будет замкнут, тиристоры будут автома­тически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источника к нагрузке.

Такие тиристорные ключи являются основой однофазных и трехфазных коммутирующих устройств.

В качестве примера рассмотрим тиристорный контактор переменного тока с управлением от анодного напряжения.

Особенность полупроводниковых коммутационных устройств состоит в том, что они без принципиальных изменений в сило­вой части могут выполнять различные функции. Так, тиристорный блок, выполненный по схеме на рис. 8.5, одинаково успешно может работать и в качестве контактора, и в качестве выклю­чателя. Только заменой тиристоров (изменяется тип, класс по напряжению или группа прибора по динамическим параметрам) обеспечивается расширение области применения аппаратов по току или напряжению. Существенно можно повлиять на работу схемы и с помощью системы управления, что будет показано на примере работы тиристорного контактора (рис. 8.8).

Силовой блок контактора выполнен по схеме с встречно-па­раллельным соединением тиристоров VS1 и VS2. Управление им осуществляется с помощью цепи, состоящей из резисторов R1, R2, R3 и механического контакта S. Эта цепь подключена парал­лельно тиристорам, поэтому при замкнутом ключе S напряже­ние на ее элементах, и в частности на резисторах R1 и R3, из­меняется синхронно с анодным напряжением на тиристорах. А так как эти резисторы подключены параллельно управляю­щим цепям тиристоров, то напряжение одной полярности одно­временно нарастает и на аноде тиристора, и на его управляю­щем электроде.

Если это напряжение является положительным, например, по отношению к тиристору VS1, и снимаемое с рези­стора R1 напряжение превышает значение отпирающего напря­жения, тиристор VS1 включается. При изменении полярности напряжения таким же образом происходит включение тири­стора VS2.

Диоды VD1 и VD2 в схеме необходимы для защиты управляющих цепей тиристоров от обратного напряжения при отрицательном напряжении на их анодах.

Регулируемый резистор R2 в управляющей цепи выбирается из условия ограничения амплитуды импульса тока управления до допустимого для используемых тиристоров значения. Учитывая, что контакт S может быть замкнут в интервале полу­периода в любой момент времени, в том числе и в момент до­стижения напряжением сети амплитудного значения Um, сопро­тивление резистора определяем из выражения

,

где R G – собственное сопротивление управляющей цепи тири­стора.

Изменением сопротивления резистора R2 можно управлять током во входных цепях тиристоров и, следовательно, моментом включения их по отношению к началу полупериода напряжения (рис. 8.9). В результате контактор становится способным вы­полнять еще одну функцию – регулирование тока в нагрузке. Предельный угол задержки включения тиристоров a max , который можно обеспечить резисторной управляющей цепью, равен 90°. Сам процесс регулирования тока (напряжения, мощности) в цепи посредством изменения угла задержки включения тиристора a называют фазовым регулированием.

Зависимости изменения напряжения на активной нагрузке и тока в ней от угла a для рассматриваемой схемы определяются выраже­ниями

Минимальный угол задержки включения тиристоров при ак­тивной нагрузке a » 2°. Это объясняется тем, что все тиристоры имеют порог чувствительности по управляющей цепи, и, кроме того, изменяющееся по синусоидальному закону анод­ное напряжение тоже должно превысить пороговое значение, по крайней мере, в два раза.

Эти факторы приводят к по­явлению бестоковых пауз в кривой тока нагрузки (t п на рис. 8.9). Из-за разброса характеристик управления тиристо­ров эти паузы могут быть неодинаковы по длительности, что приводит к появлению постоянной составляющей в токе на­грузки.

При необходимости углы задержки включения тиристо­ров выравнивают регулированием токов управления посредством изменения сопротивления подстроечных резисторов R1 и R3 (рис. 8.8).

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к области электротехники, а именно используется в аналоговых электронных схемах: электронном реле, следящих устройствах, генераторных схемах; в источниках питания постоянного тока, и предназначено использование тиристора (симистора) в переключающих устройствах для управления транзисторным ключом в динамичном режиме сравнимым логическим уровнем 1 и 0.

Целью является расширение функциональных возможностей тиристора в источнике постоянного тока, который направлен именно управлять транзисторным ключом с мощным выходом в динамичном режиме для коммутирования любой нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что способ управления транзисторным ключом на тиристоре (симисторе) заключается в том, что управляющий электрод транзисторного ключа любой проводимости подключают положительным смещением к тиристорному переключателю между анодом тиристора и катодом диода, коллектором или эмиттером транзистора, таким образом закрывают цепь управляющего электрода ключа транзистора от связи с минусом, в том числе и через управляющий электрод тиристора, а нагрузку подключают в цепь коллектора или эмиттера ключа транзистора между источником питания плюс или минус, через тиристорный переключатель протекает переменно изменяющийся рабочий ток от цепи питающего входа, тиристор открывается током больше удерживающего и переводит базу ключа транзистора в отрицательное смещение, а отключается током меньше удерживающего и переводит базу ключа транзистора в положительное смещение, причем ток через тиристор раскладывают на два плеча и устанавливают следующую оптимальную пропорцию тока удерживания, переменно изменяющий ток через цепь тиристорного переключателя 10%…20%, при менее котором тиристор отключается, остальной установочный ток через резистор положительного смещения базы ключа транзистора.

Установочный ток через тиристор раскладывают дополнительно через третье плечо задатчика тока, который подключают параллельно резистору положительного смещения ключа транзистора.

Рабочий ток через тиристорный переключатель устанавливают подбором токоограничивающего резистора, который вводят между общей точкой анода тиристора и катода диода, коллектором или эмиттером транзистора тиристорного переключателя.

Рабочим током тиристорного переключателя управляют транзистором любой проводимости, который вводят в цепь питающего входа тиристорного переключателя.

Принцип работы способа управления поясняется чертежами фиг.1-3.

Схема управления (фиг.1) содержит источник питания, транзисторный ключ 7, база которого через резистор 5 и плюс источника питания через резистор 4 подключена между анодом тиристора 8 и катодом диода 9 тиристорного переключателя 2. К тиристорному переключателю 2 подключен вход питающей цепи 6. Управляющий электрод тиристора 8 через резистор 3 подключен в цепь питающего входа 6, а через резистор 1 подключен с катодом тиристора 8 к минусу. Коллектор ключа транзистора 7 подключен к плюсу, а эмиттер через нагрузку Rн подключен к минусу.

Транзисторный ключ 7 может быть любой проводимости, а нагрузка Rн подключается к цепи эмиттера или коллектора между плюсом или минусом источника питания. Диод 9 закрывает базу ключа транзистора от связи с минусом, в том числе и через цепь управляющего электрода тиристора 8. Такую же функцию может выполнить переход коллектор-эмиттер или эмиттер-коллектор транзистора.

Управляющий электрод тиристора 8 может подключаться к питающему входу 6 через резистор, или конденсатор, или диод, или стабилитрон, или комбинированно. Резистор 5 с транзистором n-p-n проводимостью в некоторых случаях может не устанавливаться, который в основном ограничивает импульсы высокого напряжения при переключениях.

Схема работает следующим образом: с включением источника питания при закрытом состоянии тиристора 8 положительное смещение на базе закроет транзисторный ключ 7 с p-n-p проводимостью, а с n-p-n проводимостью откроет. При увеличении напряжения в цепи питающего входа 6, при токе больше удерживающего тиристор 8 откроется и перекинет в отрицательное смещение базу транзисторного ключа 7. Транзисторный ключ 7 с p-n-p проводимостью откроется и включит нагрузку Rн, а с n-p-n проводимостью закроется и отключит нагрузку Rн.

Для эффективной работы схемы подбирают оптимальную пропорцию распределения минимального тока удерживания тиристора 8. Ток тиристора 8 устанавливают подбором сопротивления резистора 4 из расчета около 80…90% от тока удерживания и 10…20% через цепь питающего входа 6 тиристорного переключателя 2, меньше при котором тиристор 8 будет закрываться. Для примера, испытания проводились в цепи источника питания 12 В на симисторе ТС10-6 и на тиристорах КУ101Е, КУ101Г, удерживающий ток у которых составлял 2 мА…5 мА, при этом величина тока порога отключения тиристора 8 была всегда постоянна. Вновь тиристор 8 открывался при повышении напряжения на 0,7…0,9 В на питающем входе 6, который был подключен к тиристорному переключателю 2 через резистор 3 к. При токе удерживания тиристора более 7 мА установку тока удерживания тиристора через вход питающей цепи 6 производят по способу, изложенному в чертеже фиг.2.

Фиг.2 отличается от фиг.1 тем, что цепь базы смещения ключа транзистора 7 подключена к общей точке анода тиристора 8 через введенный диод 11, а катод диода 11 подключен к плюсу через задатчик тока 10. Между общей точкой анода тиристора 8 и диода 9 введен токоограничивающий резистор 12. В этой схеме рассматриваются два способа управления: через задатчик тока 10 и через введенный резистор 12.

Диод 11 запирает от связи задатчик тока 10 с базой ключа транзистора 7 и улучшает динамику коммутации. Задатчик тока 10 является балластным элементом, может содержать построечный и токоограничивающий резистор. Им устанавливают минимальный ток удерживания тиристора 8 по цепи питающего входа 6.

Токоограничивающий резистор 12 может дополняться построечным резистором. Данным способом задают момент включения и отключения тиристора 8 в зависимости от величины напряжения цепи питающего входа 6.

Фиг.3 отличается от фиг.1 тем, что питающий вход 6 подключен к тиристорному переключателю 2 через введенный транзистор 14 и токоограничивающий резистор 13, а к базе подключен управляющий вход. Транзистор 14 может быть любой проводимости, который управляет рабочим током тиристора 8 или переводит тиристор 8 в открытое и закрытое состояние, который переключает транзисторный ключ 7.

К примеру, при подключении к управляющему входу генератора пилообразных импульсов на выходе ключа транзистора 7 будут сигналы прямоугольных импульсов, а на примере чертежа фиг.9 и фиг.10 показана работа простого электронного реле.

Устройство реализации способа, содержащее источник питания, транзисторный ключ n-p-n проводимости, база которого через защитный резистор и плюс источника питания через резистор смещения подключены между анодом тиристора и катодом диода, а управляющий электрод тиристора через резистор, или резистор, последовательно соединенный стабилитрон или диод подключен к аноду диода или к эмиттеру транзистора, через другой резистор подключен к минусу с катодом тиристора, а коллектор ключа транзистора подключен к плюсу источника питания или подключен через нагрузочный резистор, а общая точка эмиттера через промежуточный резистор подключена к аноду диода тиристорного переключателя, а вторая параллельная цепь эмиттера — к выходу генератора, причем эмиттер и точка смещения базы транзистора подключены к минусу через конденсатор, а база транзистора подключена с эмиттером через защитный резистор, а с минусом через защитный конденсатор.

Общая точка промежуточного резистора и конденсатора соединена с эмиттером транзистора через введенный диод.

Параллельно ключу транзистора подключен второй составной транзисторный ключ p-n-p проводимости, эмиттер выходного транзистора подключен с плюсом источника питания, а коллекторы обоих транзисторов подключены к минусу через нагрузку, а вход базы составного транзистора подключен через один резистор к плюсу источника питания, а через второй резистор к точке смещения базы ключа транзистора.

К выходу генератора подключен через токоограничивающий резистор анод диода второго тиристорного переключателя, а между катодом диода и анодом тиристора подключен управляющий электрод симистора, а фаза L через нагрузку и симисторный ключ подключена к общему проводу рабочего нуля N и корпуса.

Параллельно аноду и катоду тиристора подключен блокировочный транзистор любой проводимости, а база подключена к управляющему входу.

Между коллектором транзистора и источником питания плюс или нагрузочным резистором введен светодиод оптопары, а параллельно светодиоду подключен защитный стабилитрон или резистор, а коллектор транзистора оптопары подключен к плюсу, а эмиттер подключен через резистор к базе первого транзистора усилительного каскада, причем база которого подключена к минусу через защитный конденсатор, а к эмиттеру через защитный резистор, а коллектор подключен к плюсу источника питания через резистор или подключен к коллектору второго транзистора усилительного каскада, который подключен к плюсу источника питания через нагрузку, а база подключена к эмиттеру первого транзистора и подключена к минусу и эмиттеру через резистор или последовательно соединенный диод.

Устройство генератора (фиг.4) содержит источник питания, транзисторный ключ 7, база которого через резистор 5 и плюс источника питания через резистор 4 подключены между анодом тиристора 8 и катодом диода 9. Управляющий электрод тиристора 8 через резистор 3 подключен к аноду диода 9, а через резистор 1 подключен к минусу с катодом тиристора 8. Коллектор транзистора 7 подключен к плюсу источника питания. Общая точка эмиттера транзистора 7 через диод 19 и промежуточный резистор 18 подключена к диоду 9 тиристорного переключателя 2, а общая точка диода 19 и промежуточного резистора 18 подключена с минусом через конденсатор 20, а к эмиттеру подключен выход генератора. К точке смещения базы транзистора 7 подключен конденсатор 15, а база с минусом подключена через защитный конденсатор 16, а с эмиттером через защитный резистор 17.

Устройство работает следующим образом: с включением источника питания положительное смещение на базе откроет транзисторный ключ 7. Плюс эмиттера через диод 19 и промежуточный резистор 18 запитает тиристорный переключатель 2. Тиристор 8 откроется при токе, большем, чем ток удерживания, и переведет базу транзистора 7 в отрицательное смещение, ключ закроется. Ток через тиристор 8 станет меньше удерживающего, и тиристор 8 закроется. Вновь на базе транзистора 7 окажется положительное смещение, и цикл будет повторяться. Конденсатор 15 растягивает верхний (положительный) фронт открытого состояния транзистора 7, а конденсатор 20 растягивает нижний фронт закрытого состояния транзистора 7, и дополнительно подбором номинала промежуточного резистора 18 изменяют частоту переключений генератора. Промежуточный резистор 18 содержит один постоянный, или один построечный, или построечный дополняется последовательно и параллельно подключенными резисторами. Причем построечный резистор может быть в виде регулятора. Диод 19 запирает обратный разряд конденсатора в цепь выхода генератора. Управляющий электрод тиристора 8 подключают дополнительно с резистором 3 к аноду диода 9 или к эмиттеру транзистора 7 через стабилитрон или диод в случаях для установки порога открытия тиристора или для компенсации разницы падения напряжения перехода на диоде 9. Управляющему входу и питающему входу тиристора 8 при необходимости дополнительно подключают конденсатор для импульсного открытия тиристора.

Фиг.5 — устройство двухтактного генератора, отличающееся от фиг.4 тем, что коллектор ключа транзистора 7 подключен к источнику питания через нагрузочный резистор 24, а промежуточный резистор 18 подключен в виде построечного резистора, а к выходу генератора подключен контрольный светодиод 23 через резистор 22. Параллельно ключу транзистора 7 подключен составной транзисторный ключ на транзисторах 26 и 27 p-n-p проводимости. Вход базы составного транзисторного ключа 26 подключен через резистор 25 к плюсу источника питания, а через резистор 21 — к общей точке смещения базы ключа транзистора 7. Эмиттер выходного транзистора 27 подключен к плюсу, а коллекторы обоих транзисторов 26 и 27 подключены к минусу, через нагрузку — лампу 28.

Нагрузочный резистор 24 позволяет расширять диапазон регулирования сопротивления промежуточного резистора 18, с уменьшением которого улучшается динамика открывания ключа транзистора 7, но при этом ухудшается его закрывание.

Составной транзисторный ключ p-n-p проводимости открывается и закрывается синхронно с тиристором 8, а транзисторный ключ 7 работает асинхронно.

Испытания проводились на лампе накаливания до 80 Вт.

Коммутирование лампы 28 производилось низкой частотой и регулирование накала — большой частотой подбором конденсаторов 15 и 20 и регулятора промежуточного резистора 18. Схема работает при токе удерживания тиристора 8 в пределах 3-15 мА, при этом паспорта транзисторов могут отличаться, в том числе в других схемах.

Выделенные элементы в рамке под цифрой 29 — тиристорный переключатель 2, транзисторный ключ 7 и составной транзисторный ключ 26 и 27 — можно назвать тиристорно-транзисторный коммутатор или тиристорно-транзисторный ключ. Пример реализации в интегральном исполнении.

Фиг.7 и фиг.8 — схемы устройства высоковольтного преобразователя, отличающиеся тем, что в генераторе параллельно аноду и катоду тиристора 8 подключен транзистор 38 p-n-p проводимости, а к базе подключен управляющий вход 37, которая блокирует и включает генератор, или управляющий вход может работать, как задающий генератор. Причем транзистор 38 может быть любой проводимости.

Генератор схемы фиг.8 отличается от фиг.7 тем, что между нагрузочным резистором 24 и коллектором транзистора 7 введен светодиод 56 оптопары, а параллельно светодиоду 56 подключен стабилитрон 55. Коллектор транзистора 57 оптопары подключен к плюсу, а эмиттер подключен (фиг.7 — выход генератора подключен) через резистор 42 к базе первого транзистора 49 усилительного каскада. Причем база первого транзистора 49 подключена к минусу через защитный конденсатор 44, а к эмиттеру через защитный резистор 45. Коллектор первого транзистора 49 подключен через резистор 48 к плюсу между защитным диодом 47 и резистором 46 или подключается к коллектору второго транзистора 53, который подключен через защитный диод 52, нагрузка 54 (катушка зажигания) — к плюсу источника питания. Эмиттер первого транзистора 49 подключен к базе второго транзистора 53, база которого через резистор 50 и диод 51 подключена вместе с эмиттером к минусу. Плюс источника питания через защитный диод 47 и защитный резистор 46 подключен в схему питания генератора, а к плюсу и минусу генератора подключены параллельно конденсатор 39 и стабилитрон 43.

В качестве нагрузочного элемента и контроля к выходу генератора подключают контрольный светодиод 41 через резистор 40 или только резистор, который особенно необходим при недостаточном токе, через светодиод 56 оптопары для открытия транзисторного ключа 57, а при большом токе параллельно светодиоду 56 оптопары устанавливают шунтирующий резистор. С оптопарой типа РС817 (SHARP) схема может работать без дополнительного нагрузочного элемента.

Сигнал низкого уровня на управляющем входе 37 открывает транзистор 38, генератор при этом отключается. Положительный уровень на входе 37 закрывает транзистор 38, и генератор включится, который запустит выходной каскад усилителя.

Испытания проводились на катушке зажигания автомобиля Б117 автотрансформаторного типа, устойчивая пробойная дуга достигала максимально до 40 мм по схеме фиг.7, а по схеме фиг.8 до 30 мм. Снижение напряжения на выходе катушки производят подбором номиналов конденсатора 44, резистора 45, или дополнительно подключаются параллельно коллектору и эмиттеру выходного транзистора 53 конденсатор и стабилитрон.

Устройство может служить как многоимпульсный преобразователь для бесконтактных устройств зажигания на автомобиле и в сварочном производстве для работы оссилятора, или могут подключаться другие нагрузки, к примеру коммутироваться лампы накаливания или подключаться звуковая сирена и т.д. Причем схема может работать без защитных элементов 43, 46, 47 и 52.

Фиг.9 — устройство электронного реле. База транзистора 14 подключена к времязадающей цепочке, коллектор подключен к плюсу источника питания, а эмиттер подключен к питающему входу цепи тиристора 8 через токоограничивающий резистор 13 и диод 9. Резистор R4 — регулятор выдержки времени.

Устройство работает следующим образом

включаем источник питания, транзисторный ключ 7 закрыт. При кратковременном нажатии кнопки SB1 зарядится конденсатор С1, откроется транзистор 14, который откроет тиристор 8, а тиристор переключит транзисторный ключ 7, катушка реле К1 включится. По мере разряда конденсатора С1 происходит снижение напряжения на нем. Это приводит к снижению напряжения на эмиттере транзистора 14, и при токе, меньше удерживающего, тиристор 8 закроется. Положительное смещение на базе закроет транзисторный ключ 7, и реле К1 отключится. Устройство при данных номиналах элементов и при удерживающем токе тиристора 8 — в пределах 3-5 мА. Время выдержки может доходить до 30 минут, а погрешность при стабильном источнике питания — в пределах 2-3%.

Фиг.10 — устройство электронного реле на симисторе оптопары. Принцип работы аналогичен. Симистор оптопары типа МОС3063 или МОС3082, удерживающий ток у них в пределах 0,4-0,6 мА. По этой причине подключен составной транзисторный ключ (аналогично составному ключу на чертеже фиг.5) с большим входным сопротивлением. Управляющий вход светодиода оптопары подключен через стабилитрон и резистор, параллельно которым подключен вспомогательный конденсатор для импульсного открытия симистора. Стабилитрон служит для отсекания тока через светодиод оптопары при снижении напряжения на эмиттере транзистора 14. Этим добиваются увеличения времени выдержки.

При испытаниях время выдержки составило около 40 минут, а погрешность — в пределах 2%. Показатели значительно выше, чем на тиристоре КУ101.

Предлагается способ определения минимального тока удерживания тиристора любой структуры. Между источником питания плюс и минус подключают тиристорный ключ через токоограничивающий резистор и последовательно соединенный миллиамперметр или другой регистрирующий прибор. Причем параллельно источнику питания подключают электролитический конденсатор большой емкости. К управляющему входу через токоограничивающий резистор или конденсатор кратковременно подают импульс положительного напряжения. Фиксируют ток через тиристор по миллиамперметру, затем отключают источник питания. По мере разряда конденсатора будет снижаться ток через тиристор, и по моменту резкого отклонения стрелки миллиамперметра определяют минимальный ток удерживания.

Использование способа управления транзисторным ключом найдет применение в следующих электрических схемах устройств: электронное реле времени, к примеру коммутация катушек реле; следящих схемах, к примеру аварийные переключатели на блоках питания; генераторных схемах, к примеру высокочастотные сирены в охранных устройствах, высоковольтные преобразователи для катушек зажигания.

Составную часть устройства: тиристорный переключатель и транзисторный ключ — можно назвать тиристорно-транзисторный коммутатор или тиристорно-транзисторный ключ, который может реализоваться как единая интегральная схема. В этом случае понадобится регламентировать паспортные данные на минимальные токи удерживания.

На изобретение выдан патент Российской Федерации RU2343622
Автор(ы): Алексеев Альберт Герасимович, Алексеев Виталий Альбертович

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях — закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Одна из крайних областей, на которую подключают положительный полюс питания называют анод , р – типа
Другая, к которой подсоединяют отрицательное полюс напряжения, называют катод , – n типа
Управляющий электрод подключен к внутренним слоям.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается , тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1 .

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня — напряжение включения U вкл , в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер . В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p -области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n -области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах , через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении R n растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как на прямой ветви — отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает .

Напряжение включения U вкл , можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод , запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – U упр . Как хорошо видно из графика – при росте U упр напряжение включения снижается.

U вкл напряжение включения – при нем осуществляется переход тиристора в открытое состояние
U o6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение при нем происходит электрический пробой p-n перехода. Для многих тиристоров будет верно выражение U o6p.max . = U вкл
I max — максимально допустимое значение тока
I ср — среднее значение тока за период U np — прямое падение напряжения при открытом тиристоре
I o6p.max — обратный максимальный ток начинающий течь при приложении U o6p.max , за счет перемещения неосновных носителей заряда
I удерж ток удержания – значение анодного тока, при котором осуществляется запирание тиристора
P max — максимальная рассеиваемая мощность
t откл — время отключения необходимое для запирания тиристора

Запираемые тиристоры — имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

В отличие от своих четырехслойных родственников — тиристоров, они имеют пятислойную структуру.

Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.

Если у стандартного тиристора имеются анод и катод то электроды симистора так описать нельзя т.к каждый уго электрод является и анодом и катодом одновременно. Поэтому симистор способен пропускать ток в обоих направлениях. Именно поэтому он отлично работает в цепях переменного тока.

Очень простой схемой, поясняющей принцип симистора является регулятор симисторный регулятор мощности.

После подачи напряжения на один из выводов симистора поступает переменное напряжение. На электрод, являющийся управляющим с диодного моста поступает отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор отпирается и ток поступает в подключенную нагрузку. В момент времени, когда на входе симистора меняется полярность напряжения он запирается. Затем алгоритм повторяется.

Чем выше уровень управляющего напряжения тем быстрее срабатывает симистор и длительность импульса на нагрузке увеличивается. При снижении уровня управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке также снижается. На выходе симисторного регулятора напряжение будет пилообразной формы с регулируемой длительностью импульса. Таким образом, регулируя управляющее напряжение мы можем изменять яркость лампочки накаливания или температуру жала паяльника подключенных в качестве нагрузки.

Итак симистор управляется как отрицательным так и положительным напряжением. Давайте выделим его минусы и плюсы.

Плюсы: низкая стоимость, большой срок службы, отсутствие контактов и, как следствие, отсутствие искрения и дребезга.
Минусы: достаточно чувствителен к перегреву и его обычно монтируют на радиаторе. Не работает на высоких частотах, так как не успевает переходить из открытого состояния в закрытое. Реагирует на внешниепомехи, вызывающие ложное срабатывание.

Следует также упомянуть о особенностях монтажа симисторов в современной электронной техники.

При малых нагрузках или если в ней протекают короткие импульсные токи, монтаж симисторов можно осуществлять без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях – его наличие строго обязательно.
К теплоотводу тиристор может фиксироваться крепежным зажимом или винтом
Для снижения вероятности ложного срабатывания из-за шумов, длина проводов должна быть минимальна. Для подсоединения рекомендуется использовать экранированный кабель или витую пару.

Или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень и надежности конструкции.

Силовые ключи . Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность, которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется, т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

Тиристоры, тиристорные ячейки, модули и контроллеры в управлении реактивной мощностью.

Анонс: Полупроводниковые ключи в сетях низкого напряжения. Тиристоры, тиристорные ячейки, модули и контроллеры. Тиристорные модули и контроллеры в управлении реактивной мощностью.

Силовые сети низкого (до 1 кВ) напряжения промышленных, непромышленных объектов, инфраструктуры ПГТ, городов, мегаполисов сегодня фактически построены на электроприводах, потребляющих более 60% всей генерируемой энергии. В свою очередь управление, как электроприводом, так и техническими средствами компенсации реактивной мощности, позволяющими экономить до 30% объема энергопотребления, осуществляется с помощью схем на полупроводниковых приборах – диодах, транзисторах, тиристорах и их модификациях.

По факту полупроводники служат бесконтактными «бездуговыми» переключателями, постепенно вытесняющими с рынка электромеханические (электромагнитные) контакторы, лучшие версии которых способны работать только в простейшем режиме коммутации «включено-выключено» и имеют реальный срок службы от нескольких месяцев до пары лет (см. подробнее о сроках службы и интенсивности отказов компонентов силовой электроники в серии статей компании «Миркон» здесь)

Справка: Значение полупроводниковых ключей для увеличения надежности, долговечности и энергопотребления силовых сетей сложно переоценить и еще в 60-х годах по инициативе ФТИ им. Иоффе, ВЭИ им. Ленина и при поддержке саранского завода «Электровыпрямитель» был заложен фундамент отрасли силовое полупроводниковое приборостроение. В действительности Советский Союз лидировал в разработке полупроводников на базе монокристаллического кремния буквально с момента появления первого биполярного транзистора (Bipolar Power Transistor — ВРТ) в 1948 году, Silicon Controlled Rectifier или SCR-тиристора в 1952, силового полупроводникового диода в 1954 и далее с 1960 по 90-е годы прошлого века — GTO-тиристора, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) и IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) транзисторов, GCT (Gate Commutated Thyristor) и IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) тиристоров. В новом веке почти весь объем прогрессивных MOSFET и IGBT транзисторов, IGCT тиристоров импортируется в Россию, а инновационные разработки ФТИ им. Иоффе в области новых полупроводниковых ключей на базе карбида кремния — реверсивно включаемых динисторов с быстрой ионизацией (тиристорных и транзисторных секций с общим коллектором) пока не реализованы в промышленном производстве.

Тиристоры, тиристорные ячейки, модули и контроллеры.

Предельно упрощенно тиристор – проводит ток в одном направлении, открывается и запирается подачей положительного и отрицательного напряжения на управляющий электрод, а для работы в сетях переменного тока тиристоры группируют в ячейки со встречно-параллельным подключением. Ячейки или тиристорные ключи на полууправляемых монополярных тиристорах работают с естественной коммутацией нагрузки (выключение только по силовой цепи при смене полярности напряжения). Тиристорные ключи на биполярных симметричных тиристорах типа GCT или IGCT – с искусственной (принудительной) коммутацией, т.е. открываются и закрываются по предопределенному алгоритму, основанному на фазовом или широтно-импульсном управлении.

Рис. Принципиальные структурные схемы тиристорных ключей с естественной (сверху) и принудительной искусственной (снизу) коммутацией.

Тиристорный модуль включает наборку тиристорных ключей (ячеек), блоки управления и принудительной коммутации (для полностью управляемых ключей), может быть частью тиристорного (или гибридного релейно-тиристорного) контроллера, полностью автономным (см. здесь) или интегрируемым в контроллеры (см. тиристорные модуля серии TSM от TDK Electronics, DCTL от LOVATO Electric, BEL-TS от BELUK, EXTHARM от Legrand). Тиристорные модуля управляются сигналами с транзисторных выходов логических контроллеров, тиристорный контроллер – самоуправляемый и дополнительно имеет блоки защиты, управления с возможностью программирования, коммутации с информационными сетями АСУ ТП, АИИС и пр.

Тиристорные модули и контроллеры в управлении реактивной мощностью.

С помощью тиристорных модулей или контроллеров обеспечивается долговечное, оперативное и надежное управление, как конденсаторными батареями-ячейками установок компенсации реактивной мощности, так и декомпенсирующими реакторами — Thyristor Controlled Reactor (TCR) и Thyristor Switched Reactor (TSR) (см. более детально о TCR и TSR – реакторах в этом материале)

Управление конденсаторными батареями и реакторами с помощью тиристорных ключей принципиально различается. Для ограничения бросков тока и перенапряжений в конденсаторных батареях тиристорный ключ открывают, когда равны или близкие по амплитуде мгновенное значение напряжения силовой сети и напряжение в месте подключения ячейки, а закрывают при переходе тока в ключе через ноль.

Рис. Принципиальная схема тиристорного ключа одной фазы (слева) и вольтамперная характеристика конденсаторной ступени при управлении тиристорным модулем (справа).

Вместе с тем, при управлении IGCT ключами, как TSR – реакторами, так и конденсаторными батареями можно регулировать генерацию реактивной энергии (емкостного и индуктивного характера) с помощью изменения угла фазы или частотно-импульсной модуляции.

Рис. Фазовое регулирование мощности нагрузки установкой углов включения и выключения тиристорных ключей (слева), пример управления генерируемой мощностью (справа).

Прогрессивными на текущий момент являются комбинированные контроллеры с релейными (контакторными) и тиристорными модулями – разными по настройке для управления конденсаторными батареями и TSR (TCR) реакторами.

Рис. Компенсатор реактивной мощности с комбинированным контроллером на тиристорных ключах для управления релейной нагрузкой (секции 1 с электромеханическими контакторами), ступенями конденсаторной установки (секции 2) и декомпенсирующими реакторами (секции 3).

Мощность реактора, работающего для декомпенсации набросов емкостных токов от конденсаторной ступени, обычно подбирают равной мощности конденсаторной батареи, но при наличии в сети постоянно работающей индуктивной или емкостной нагрузки мощность реактора может быть соответственно меньше или больше, что определяется мониторингом параметров сети, в том числе по спектру гармоник.

Силовой тиристорный ключ для дискретно регулируемой установки поперечной компенсации реактивной мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СИЛОВОЙ ТИРИСТОРНЫЙ КЛЮЧ ДЛЯ ДИСКРЕТНО РЕГУЛИРУЕМОЙ УСТАНОВКИ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Л. А. Герман, д. т. н. профессор Нижегородского филиала МИИТ;

А. С. Серебряков, д. т. н., профессор ГОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-

экономический институт»

Аннотация. Приводится описание силового тиристорного ключа, его структурная схема. Рассматривается назначение, устройство и принцип работы устройства.

Ключевые слова: силовой тиристорный ключ, балластный резистор, триггер, усилитель, счетчик импульсов.

Как было показано в предыдущей статье (см. Л. А. Герман, А. С. Серебряков, Д. Е. Дулепов «Анализ переходных процессов в дискретно регулируемых установках для компенсации реактивной мощности» чтобы при подключении КУ свести к минимуму перенапряжения на конденсаторах, необходимо включать последовательно с КУ балластный резистор и шунтировать его через три полупе-риода питающего напряжения в момент прохождения тока через нуль.

Ниже приводится описание устройства, реализующего сформулированные выше условия, на которые авторами получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение. Структурная схема устройства приведена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема дискретно регулируемой установки для компенсации реактивной мощности

Устройство содержит первый управляемый механический выключатель (1) с приводом, конденсатор (2) для компенсации реактивной мощности, реактор (3), демпфирующий резистор (4), датчик тока (5), второй управляемый механический выключатель (6) с приводом, тиристорный двунаправленный ключ (7), первый ЯБ — триггер (8), усилитель (9), второй ЯБ триггер (10), второй усилитель (11), блок (12) управления тиристорным двунаправленным ключом, датчик (13) прохождения тока через нуль, счетчик (14) импульсов, элемент И (15), синхронизатор (16) положительных полупериодов тока, синхронизатор (17) отрицательных полупериодов тока, кнопка (18) Пуск, кнопка (19) Стоп, третий ЯБ — триггер (20), таймеры (21) и (22).

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии перед включением установки все ЯБ — триггер (8) находится в нулевом (сброшенном) состоянии: напряжение на его прямых выходах имеет низкий потенциал, т.е. на всех прямых выходах ЯБ — триггеров сигнал равен логическому нулю, а напряжения на инверсных выходах имеет высокий положительный потенциал, т.е. сигнал на инверсных выходах равен логической 1. Сигналы на входах усилителей (9 и 11) управления механическими выключателями (1 и 6) отсутствуют и выключатели (1 и 6) находятся в выключенном состоянии. Счет-

чик (14) сигналом логической единицы с инверсного выхода первого ЯБ — триггера (8) установлен в нулевое состояние, т.е. сигнал на его выходе равен нулю.

При подаче единичного сигнала от кнопки Пуск (18) или от системы автоматического управления на вход Б первого ЯБ — триггера (8), этот триггер переходит из нулевого состояния в единичное. На его прямом выходе появляется сигнал (1), который через усилитель (9) включает первый механический выключатель 1. Сигнал на инверсном выходе первого ЯБ -триггера (8) становится равным нулю, т.е. снимается сигнал обнуления» с входа счетчика (14) и разрешается его работа в счетном режиме.

После включения механического выключателя (1) начинается переходный процесс в силовой цепи, состоящей из конденсатора (2), индуктивного реактора (3) и демпфирующего резистора (4), в течение которого конденсатор (2) заряжается до напряжения, превосходящего амплитудное значение питающего напряжения примерно в 1,1 раза. Демпфирующий резистор (4) ограничивает при этом амплитуду тока и амплитуду напряжения на конденсаторе (2). После того, как конденсатор (2) зарядится до указанного выше напряжения, а это происходит, как показали исследования, через два полных полупериода питающего напряжения, демпфирующий резистор (4) больше не требуется и его следует зашунтировать, обеспечив штатный режим установки компенсации реактивной мощности. Шунтирование балластного резистора, чтобы не вызвать больших перенапряжений на конденсаторе (2), как показали исследования, следует производить в момент прохождения тока через нуль.

Момент прохождения тока через нуль определяет датчик (13) перехода тока через нуль. На выходе датчика (13) в момент прохождения тока через нуль появляется кратковременный единичный сигнал, который подается на

вход счетчика импульсов (14). Как только счетчик импульсов отсчитает три импульса тока, на выходе счетчика появляется единичный сигнал. Количество импульсов перехода через нуль выбрано равным трем по следующим соображениям. Поскольку механический выключатель может включиться при любой начальной фазе питающего напряжения, то первый переход через нуль возможен при очень малой длительности первой неполной полуволны. Чтобы две полуволны были полные, первая из них не учитывается и счетчик импульсов настраивается на три импульса. Как только с датчика прохождения тока через нуль поступит третий импульс, на выходе счетчика (14) появится единичный сигнал, который устанавливает второй ЯБ-триггер (10) в единичное состояние и на первом входе элемента И (15) появляется единичный сигнал. На втором входе этого элемента в момент прохождения тока через нуль также появляется единичный сигнал с выхода датчика (13) прохождения тока через нуль. С выхода элемента И (15) в момент прохождения тока через нуль единичный логический сигнал поступает на первый вход блока управления (12) тиристорным двунаправленным ключом (7). Блок управления (12) подает управляющий сигнал на тот тиристор, анод которого имеет положительный потенциал по отношению к катоду. Это обеспечивается сигналами, поступающими с синхронизаторов (16 и 17) положительной и отрицательной полярностей. Теоретически в момент прохождения тока через нуль напряжение на демпфирующем резисторе будет равно нулю, но практически импульс на выходе датчика (13) имеет определенную длительность. Он начинается за несколько микросекунд до момента прохождения тока через нуль и заканчивается через несколько микросекунд после прохождения тока через нуль. Это обеспечивает надежное включение тиристоров в первый момент начала увеличения тока. При следующем прохождении тока

через нуль включается другой тиристор. Далее процесс повторяется и демпфирующий резистор (4) шунтируется двунаправленным тиристорным ключом (7) каждый раз при прохождении тока через нуль. Одновременно с первым включением тиристорного ключа (7) единичный сигнал с выхода второго ЯБ-триггера (10) подается на вход второго усилителя (11), что приводит к включению второго механического ключа (6). Блок-контакт второго механического выключателя (на схеме не показан) снимает импульсы управления с тиристорного двунаправленного ключа. Система компенсации реактивной мощности включена в работу в штатном режиме и выполняет свои функции.

При поступлении на вход Я. второго ЯЗ — триггера (10) единичного сигнала от кнопки (19) Стоп или от системы управления ЯЗ — триггер (10) переходит из единичного в нулевое состояние и второй механический выключатель (6) выключается. В силовую цепь, состоящую из последовательно включенных конденсатора (2) и реактора (3) включается демпфирующий резистор (4). Наличие демпфирующего резистора облегчает работу первого выключателя (1) при отключении установки. Одновременно с установкой ЯБ — триггера (10) в нулевое состояние третий ЯБ -триггер (20) устанавливается в единичное состояние и через заданное время на выходе таймера (21) появляется единичный сигнал, который сбрасывает первый ЯБ — триггер (8). Сигнал на прямом выходе ЯБ — триггер (8) становится равным нулю и первый выключатель (1) отключает установку. На инверсном выходе первого ЯБ — триггера (8) появляется единичный сигнал, который сбрасывает в нулевое состояние счетчик (14). Схема приведена в исходное состояние и готова к новому включению, после которого процессы повторятся в уже изложенной выше последовательности.

Power thyristor key for discretely regulated installation of cross-section of Indemnification jet capacity

L. A. Herman, doctor of technical sciences, professor of the Nizhniy Novgorod branch MIIT;

A. S. Serebryakov, doctor of technical sciences, professor, the Nizhniy Novgorod State engineering-economic institute.

Annotation. The description power thyristor a key, its block diagram is resulted. Appointment, the device and a principle of work of the device is considered.

The key words: force thyristor key, the ballast resistor, the trigger, the amplifier, counter pulses.

ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ

ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН

А. В. Колпаков, к. т. н., доцент кафедры «Организация и технология ремонта машин» ГОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт»

Аннотация. Показано преимущество упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин виброду-говым науглероживанием поверхностного слоя. Определены рекомендуемые и оптимальные значения показателей процесса. Приведены сравнительные результаты по износостойкости науглероженных, наплавленных и не упрочненных деталей.

ТИРИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации силовых электрических сигналов при помощи полупроводниковых приборов и может быть использовано в устройствах преобразовательной техники или формирования коротких импульсов, например, лазерной техники.

Известен транзисторный ключ (патент SU 1786653 A1 Н03К 17/687, опубл. 17.01.1993, бюл. №1), в котором для переключения электрических сигналов используются биполярные транзисторы. Он содержит биполярный транзистор, в коллекторную цепь которого включены нагрузка и источник питания. Недостатком этого устройства является невысокая энергетическая эффективность, что обусловлено необходимостью создания базового тока значительной величины для токов коллектора при большой мощности нагрузки.

Лучшими показателями энергетической эффективности обладают полупроводниковые ключи, где в качестве полупроводникового элемента используется тиристор, для включения которого требуются достаточно короткие импульсы, а для поддержания тиристора в открытом состоянии энергии не требуется (Электрические и электронные аппараты / Под ред. Ю.К. Розанова. — М.: Информэлектро, 2001. — С. 217, рис. 7.47а). Этот ключ содержит тиристор, последовательно с анодом и катодом которого соединены нагрузка и источник питания, а между его управляющим электродом и катодом через управляющий резистор подключен источник коротких импульсов. Недостатком данного тиристорного ключа является невысокая энергетическая эффективность и недостаточное быстродействие.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тиристорный ключ, где для формирования импульсов тока управляющего электрода использованы специальные функционально сложные драйверы, которые определяют наиболее эффективную форму и амплитуду импульсов тока управляющего электрода (Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи. — М.: Издательский дом Додека-XXI, 2001. — С. 216, рис. 4.59).

Недостатком данного тиристорного ключа является невысокая надежность работы. Это обусловлено негативным влиянием паразитной емкости между анодом и управляющим электродом, которая может вызвать несанкционированное включение тиристора при подключении к ключу напряжения питания с большой скоростью dU_a=к/dt.

Технической задачей изобретения является создание тиристорного ключа с повышенной надежностью в режиме импульсной работы при больших значениях скорости нарастания напряжения питания схемы.

Технический результат — повышение надежности работы тиристорного ключа в импульсном режиме.

Для решения технической задачи и достижения указанного технического результата в тиристорном ключе, содержащем драйвер и тиристор, анод которого через нагрузку соединен с положительным полюсом источника питания, отрицательный полюс которого подключен к катоду тиристора и к общему полюсу драйвера, причем выход драйвера соединен с управляющим электродом тиристора, согласно изобретению, в него введены конденсатор, первый и второй резисторы и биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с общим полюсом драйвера и отрицательным полюсом источника питания, коллектор подключен к управляющему электроду тиристора, а база через последовательно включенные первый резистор и конденсатор соединены с положительным полюсом источника питания, причем между базой биполярного транзистора и его эмиттером подключен второй резистор.

Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведена схема тиристорного ключа.

Тиристорный ключ содержит тиристор 1, анод которого через нагрузку 2 подключен к положительному полюсу источника питания 3, отрицательный полюс которого соединен с катодом тиристора 2, эмиттером биполярного транзистора 4 и с общим полюсом драйвера 5. Управляющий электрод тиристора 1 подключен к выходу драйвера 5 и через последовательно включенные первый резистор 6 и конденсатор 7 соединен с положительным полюсом источника питания 4. Между базой и эмиттером биполярного транзистора 4 подключен второй резистор 8.

Тиристорный ключ работает следующим образом.

При подаче на схему тиристорного ключа напряжения источника питания 3 возникает экспоненциально нарастающий ток заряда конденсатора 7, амплитуда импульса которого определяется величиной сопротивления первого резистора 6. Появляется базовый ток биполярного транзистора 4, который включается и шунтирует вход тиристора 1 по его управляющему электроду. Это исключает негативное влияние емкости анод-управляющий электрод тиристора 1 и устраняет несанкционированное ложное включение тиристора 1.

Далее по мере заряда конденсатора 6 ток базы биполярного транзистора 4 уменьшается, что обусловливает его выключение вплоть до последующего полного запирания.

Для обеспечения условия повышенной надежности работы схемы тиристорного ключа требуется, чтобы длительность включенного состояния биполярного транзистора 4 была больше, чем время заряда емкости анод-управляющий электрод тиристора 1. В этом случае ток заряда этой емкости будет шунтироваться включенным состоянием биполярного транзистором 4 и не окажет влияния на функционирование тиристорного ключа при подключении напряжения источника питания 3.

Подобное плавное выключение биполярного транзистора 4 приведет к аналогичному плавному заряду паразитной емкости анод-управляющий электрод тиристора 1, что при наличии большой скорости dU_п/dt напряжения U_п источника питания 3 при его подключении к тиристорному ключу обусловит его более надежную работу за счет исключения несанкционированного ложного включения тиристора 1 при отсутствии его тока управляющего электрода.

На последующих этапах работы тиристорного ключа в импульсном режиме после отключения от схемы напряжения источника питания 3 конденсатор 7 разряжается через резисторы 6 и 8, за счет чего схема тиристорного ключа приводится в исходное состояние.

Таким образом, введение биполярного транзистора 4 и управление его от резисторов 6, 8 и конденсатора 7 позволяет снизить негативное влияние емкости анод-управляющий электрод тиристора 1 и исключить его несанкционированное ложное включение при подаче напряжения от источника питания 3. Выбор параметров последовательной цепи, состоящей из конденсатора 7 и резистора 6, дает возможность обеспечить выключенное состояние тиристора 1 в момент подключения напряжения источника питания 3 к схеме тиристорного ключа, когда тиристор 1 включаться не должен. Следовательно, предлагаемый тиристорный ключ обеспечивает повышение надежности его работы в импульсном режиме.

Мощные высоковольтные тиристоры для импульсных применений, производства ЗАО «Протон-Электротекс»

• Главная
• Статьи
• Мощные высоковольтные тиристоры для импульсных применений, производства ЗАО «Протон-Электротекс»

Черников А.А., Гончаренко В. П., Мизинцев А. В., Сурма А. М., Титушкин Д. А.

АО «Протон – Электротекс», OOO  НИИЭФА ЭНЕРГО

 Разработка полупроводниковых ключей, способных коммутировать короткие импульсы тока амплитудой от десятков до сотен килоампер, актуальна для развития импульсных источников питания мощной электрофизической аппаратуры. Импульсные тиристоры широко применяются в качестве таких ключей [1].

Заказчики предъявляют к мощным импульсным тиристорам ряд специфических технических требований [2-5], которым не может удовлетворить обычный серийный тиристор. К таким требованиям, в частности, относятся:

1. Коммутация импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс. Типичные требования – 2000 -10000 А/мкс.
2. Коммутация коротких импульсов тока высокой амплитуды. Отношение амплитуды тока в коммутируемом импульсе к величине среднего тока тиристора может достигать числа 100 и более.
3. Синхронное включение тиристоров в составе последовательной сборки при коммутации импульсов тока с высокой скоростью нарастания.

При коммутации импульсов со скоростью нарастания тока (di/dt) свыше 1000 А/мкс, возникают существенные затруднения, связанные с неодновременным включением тиристорного элемента по всей площади.

Кардинальным решением этой проблемы является использование тиристоров с ячеистой «многоэмиттерной» топологией, применяемой для Gate Turn-Off thyristors (GTO) и Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT) [6], т.к. вследствие малого поперечного размера каждой эмиттерной ячейки такой тиристор включается практически одновременно по всей площади. Однако, для такого прибора, значительная часть площади (50% и более) используется для размещения области управления (gate) и не участвует в проведении тока, что сильно снижает допустимую амплитуду импульса тока.

Другим решением является применение специального импульсного прибора Реверсивно Включаемого Динистора (РВД) [7]. Включение такого прибора также происходит по всей площади, что позволяет достигать наибольших на сегодняшний день для полупроводниковых ключей амплитуд импульсного тока [8]. Недостатком является весьма сложная аппаратура, необходимая для запуска РВД, по своей стоимости сопоставимая со стоимостью основного ключа.

Таким образом актуален поиск конструктивно-технологических решений, позволяющих увеличить допустимый импульсный ток «традиционного» импульсного тиристора. Ниже рассмотрен комплекс технических решений, позволивший создать импульсный тиристор, способный коммутировать импульсы тока с экстремально высокой амплитудой в важном для практических применений диапазоне длительности 100-1000 мкс.

Особенности конструкции и технологии изготовления

 Полупроводниковые слои.

Низколегированная p-база. В полупроводниковом элементе реализована относительно низколегированная p-база (слоевое сопротивление под n-эмиттером 500-1000 Ом/квадрат). При этом диффузионные процессы ее формирования оптимизированы таким образом, чтобы получить максимальное «встроенное тянущее электрическое поле» в пределах этого слоя. Это позволяет минимизировать время пролета p-базы электронами, инжектированными из n-эмиттера и получить минимальные значения времени задержки включения. Следовательно, при каскадном включении (вспомогательный тиристор – основной тиристор), становится минимальным время, когда ток проводит только вспомогательный тиристор, что существенно увеличивает di/dt – стойкость.

Соответственно, имеется возможность кардинально снизить разброс задержек включения  тиристоров в последовательной сборке.

На рис. 1 приведена типичная зависимость времени задержки включения для экспериментального тиристора от значения исходного блокирующего напряжения.

Рис. 1. Типичная зависимость времени задержки включения от анодного напряжения. Скорость нарастания тока управления 2А/мкс, скорость нарастания анодного  тока 5000 А/мкс.

Видно, что время задержки включения не только мало по своей абсолютной величине, но, вдобавок, монотонно уменьшается при увеличении анодного напряжения, что объясняется уменьшением времени пролета носителей заряда через базовые слои тиристора при увеличении исходного анодного напряжения.

Такая зависимость времмени задержки включения приводит к «конвергенции» разброса времени включения при работе тиристоров в последовательном соединении. Разброс времен включения отдельных тиристоров в последовательной сборке приводит к перераспределению напряжений между тиристорами на начальном этапе включения: на тиристорах с меньшими значениями t_don анодное напряжение уменьшается, а на тиристорах с большими значениями t_don  — увеличивается.

При этом, значения t_don при работе в последовательной сборке, в соответствии с зависимостью от напряжения (см. рис. 1) будут уменьшаться или увеличиваться, по сравнению со значением, измеренным на отдельных тиристорах. Таким образом, при работе тиристоров в последовательном соединении происходит некоторое сужение диапазона разброса значений задержек включения по сравнению с таковым, измеренным на отдельных тиристорах, составляющих сборку.

Исследования [9] показали, что, при типичной для импульсных тиристороров «Протон – Электротекс» «негативной» зависимости t_don от анодного напряжения,  диапазон разброса значений t_don при работе в последовательном столбе сужается примерно в два раза.

P-эмиттер с контролируемой эффективностью. В полупроводниковом элементе «традиционного» силового тиристора обычно выдерживается отношение толщины n-базы (Wn) и значения амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в этом слое (L) не менее 3 (Wn/L>3). Это соотношение обусловлено необходимостью иметь вполне определенный (на уровне ~0.8 при высоком напряжении) коэффициент усиления по току p-n-p транзистора в составе четырехслойной тиристорной структуры для обеспечения требуемых значений блокирующих напряжений и du/dt – стойкости. При этом, однако, во включенном состоянии, распределение по толщине структуры концентрации избыточных электронно-дырочных пар существенно неоднородно, а, следовательно, неоднородно и распределение напряженности электрического поля (см. рис. 2).

В импульсных тиристорах производства «Протон-Электротекс» для поддержания требуемого значения коэффициента усиления по току p-n-p транзистора применяется p-эмиттер специальной конструкции – так называемый полупрозрачный эмиттер (transparent emitter). Используемые диффузионные технологии его формирования вместе с низкотемпературной технологией формирования анодного омического контакта (синтеринг) позволяют с высокой степенью воспроизводимости регулировать его коэффициент инжекции и добиться его малого разброса по площади силовой полупроводниковой структуры.

Применение p-эмиттера с контролируемой эффективностью позволяет уменьшить соотношение Wn/L до 1 и менее. В результате получаем более равномерное распределение напряженности электрического поля по толщине структуры (см. рис. 2).

Т.к. объемная плотность мощности потерь является произведением напряженности электрического поля на плотность тока, то для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности имеем меньшую локальную плотность мощности потерь (и плотность энергии потерь), чем для структуры традиционного тиристора при идентичном падении напряжения. Для коротких импульсов тока, когда процессы тепловыделения можно считать адиабатическими, это приводит к примерно на 20% меньшему локальному перегреву для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности.

Таким образом энергия, применение этого конструктивно-технологического решения позволяет в сравнении с «традиционным» тиристором, обладающим идентичной ВАХ во включенном состоянии, получить до 20% преимущества по допустимой энергии потерь при коммутации коротких импульсов тока с высокой амплитудой.

а).

б).

Рис. 2. Распределения концентрации избыточных электронно-дырочных пар (а) и напряженности электрического поля (б) по толщине кремниевой тиристорной структуры с эмиттером контролируемой эффективности (1) и структуре «традиционного тиристора» (2). Тиристорные структуры во включенном состоянии, проводят ток плотностью 2000 А/см², имеют при этом идентичное падение напряжения 5.0 В.

Топология

Управляющий электрод с высокой степенью разветвления, позволяет безопасно коммутировать импульсы тока с высокой скоростью нарастания и осуществлять быстрое включение тиристорной структуры по всей активной площади.

Применяемые топологии и достижимые импульсные характеристики приведены в Табл 1. Для тиристорных элементов каждого диаметра разработаны и применяются по два варианта топологии: с «максимальным» и с «оптимальным» разветвлением. Вариант с максимальным разветвлением предназначен для коммутации импульсов тока с наибольшей скоростью нарастания, однако из-за больших потерь площади на размещение управляющего электрода уступает второму варианту по допустимой амплитуте импульсов тока при длительности этих импульсов более 200…300 мкс. Вариант с «оптимальным» разветвлением оптимизирован для коммутации импульсов тока максимальной амплитуды при длительностях свыше 300 мкс. Эта топология рассчитана таким образом, чтобы при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания 3-8 кА/мкс разброс плотности энергии потерь и температуры перегрева по площади полупроводниковой структуры был незначительным.

В качестве примера на рис. 3 приведены расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4,5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Зависимости приведены для тиристора 28 класса с диаметром элемента 100 мм.

Рис. 3. Расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4.5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Тип тиристора: диаметр элемента 100 мм, U_DRM=U_RRM=2800В.

Из рисунка видно, что плотность тока в процессе распространения включенного состояния не превышает максимума, который соответствует максимальному значению анодного тока.

Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками приведена на рис. 4. Видно, что максимальная разница температуры между горячей и холодной точками не превышает 18°С. Она достигается в момент времени полного включения всей площади полупроводниковой структуры и далее уменьшается с тесением времени. В момент достижения абсолютного максимума температуры (400 мкс) разница температуры снижается примерно до 10°С. При этом следует иметь в виду, что температура абсолютного максимума эквивалентной структуры, включающейся одновременно по всей площади (например РВД) будет лежать между температурами горячей и холодной точек тиристора.

Следовательно  локальный перегрев тиристорной структуры относительно РВД в приведенном режиме не превысит 5-7°С.

Рис.4. Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками тиристорной структуры.

«Распределенный» вспомогательный тиристор. Конструкция современного тиристора с большой площадью кремниевого элемента как правило содержит разветвленный управляющий электрод (РУЭ) и вспомогательный (усилительный) тиристор (ВТ), катод которого соединен с РУЭ, а анод – общий с основной тиристорной структурой. Назначение ВТ – сформировать «усиленный» импульс тока управления, подающийся на РУЭ, который имеет значительную длину периметра. Обычно структура ВТ формируется в виде достаточно узкого кольца, шириной около 1 мм, окружающего основной управляющий электрод тиристора. Для функционирования тиристора в обычных режимах этого достаточно, т.к. после включения основного тиристора по периметру РУЭ происходит быстрый «перехват» анодного тока и ВТ либо отключается, либо плотность тока в нем снижается до «безопасных» пределов.

Однако, при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс, как показали исследования, снижение плотности тока, протекающего через ВТ происходит достаточно медленно, а амлитуда тока может достигать значительных величин.

Чтобы «разгрузить» структуру ВТ, т.е уменьшить плотность протекающего через него тока, на импульсных тиристорах «Протон-Электротекс» применяется т.н. распределенный ВТ, представляющий из себя «полноценную тиристорную структуру, площадью около 0,5 кв.см для элементов диаметром 56 мм и около 1-2 кв. см. для элементов диаметром 80-100 мм (рис. 5). Исследования показали, что применение подобной структуры ВТ позволяет снизить локальный перегрев этой структуры до величины, меньшей, чем максимальный перегрев основной структуры.

Рис.5. Кремниевый элемент импульсного тиристора с «распределенным» ВТ и «мелкой» катодной шунтировкой.

«Мелкая» катодная шунтировка. Применена распределенная катодная шунтировка n-эмиттера с размером элементарного шунта около 100 мкм. Типичная величина амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в n-базе составляет около 400 мкм. Таким образом, применив такую шунтировку, удается получить равномерное распределение концентрации избыточных-электронно-дырочных пар без локальных «провалов» под местами расположения катодных шунтов и, следовательно, использовать всю активную площадь тиристорной структуры для проведения тока.

Контакты

Контакт анода полупроводниковой структуры с молибденовым диском-термокомпенсатором осуществляется с помощью технологии низкотемпературного спекания на слой мелкодисперсной серебряной пасты (синтеринг) [10]. Эта технология представляет собой процесс низкотемпературного (около 250С) спекания серебряной пасты практически в монолитное серебро. В применении к импульсным тиристорам дает следующие преимущества.

— Процесс идет при 250С, а традиционно применяемый для соединения с молибденовым диском процесс сплавления (вакуумной пайки на силумин) – при около 700°С. Поэтому после синтеринга получаем в «пакете» кремний-молибден значительно меньшие остаточные деформации и внутренние механические напряжения. В результате – повышение ресурса по циклостойкости [11-12] (а для режимов коммутации токов с требуемой амплитудой это архиважно, т.к. пропускание каждого импульса тока сопровождается очень жестким термоциклом как раз для соединения кремний-молибден, т.к. кремний разогревается более, чем до 200°С, а молибденовый диск за исключением неглубокого слоя, прилегающего к кремнию, остается холодным.

— При традиционном процессе сплавления поверхностные слои кремниевой структуры растворяются силумином. При этом становится невозможным гарантировать идентичность свойств анодного эмиттера на площади структуры (даже в случае, если это традиционный не «полупрозрачный» p-эмиттер). В результате для традиционной технологии имеем повышенный разброс плотности тока по площади структуры. Технология синтеринга этот недостаток исключает [13].

— В традиционном процессе сплавления чрезвычайно сложно добиться равномерного остывания по всей площади структуры (особенно, если эта площадь большая). В результате, процесс кристаллизации силумина в соединительном шве начинается, обычно, с периферии и, затем распростаняется в направлении центра дискообразного пакета кремний-молибден. Это приводит к неравномерности толщины шва по диаметру, см. рис. 6.

Рис. 6. Неравномерность толщины «сплавного» шва по диаметру, возникающая из-за неравномерного остывания при кристаллизации силумина

Наличие такой неоднородности толщины шва мало влияет на свойства анодного контакта, однако может серъезно ухудшить катодный (прижимной) контакт.

В технологии синтеринга высокая равномерность толщины шва гарантирована.

Прижимной катодный контакт. Для обеспечения надежного прижимного катодного контакта применяется катодная прокладка из молибдена со специальным покрытием. Выбор сделан в результате длительных и объемных исследований разных вариантов материалов и покрытий. Применяемая прокладка обеспечивает высокую циклостойкость контакта, малое электрическое и тепловое сопротивление, отсутствие деградации при длительной эксплуатации, в том числе при коммутации большого числа (свыше 100000) импульсов тока высокой амплитуды. Рассмотренные выше конструктивно-технологические решения известны и, по отдельности, применяются для улучшения импульсных свойств тиристоров рядом фирм – производителей. Однако, только совокупность этих технических решений, примененная с учетом современных технологических возможностей, позволила «Протон-Электротекс» организовать серийное производство импульсных тиристоров с уникальным набором характеристик. В качестве примера ниже приведены результаты испытаний экспериментального импульсного ключа на базе последовательной сборки тиристоров 28 класса с диаметром полупроводникового элемента 100 мм [14].

Экспериментальный ключ на импульсных тиристоразх.

 Экспериментальные импульсные тиристоры, с повторяющимся импульсным блокирующим напряжением 2800В были изготовлены с применением описанных выше технических решений.

Тиристоры имели кремниевый элемент диаметром 100 мм, который изготавливался на пластинах нейтроннолегированного кремния с удельным сопротивлением 120 Ом*см, толщиной 580 мкм. Топология управляющего электрода показана в табл. 1 (п.5). Эта топология обеспечивает оптимальное время включения тиристора по всей площади при коммутации импульсов, близких по форме к полуволне синусоиды, длительностью 300-1000 мкс. При этом потери площади на размещение области управления минимизированы и составляют всего около 14%, активная площадь тиристорного элемента составляет около 55 см². Тиристоры имели таблеточную конструкцию корпуса.

Экспериментальный тиристорный ключ состоял из 10 тиристоров в последовательной сборке, рис 7., и вспомогательной сборке из встречнопараллельных диодов.

Рис. 7. Экспериментальный тиристорный ключ.

 Испытания проводились в разрядном R-L-C контуре, рис. 8 при начальном напряжении на конденсаторах 24 кВ. Форма импульсов тока и напряжения при разряде показана на рис. 9. При испытаниях ключ устойчиво коммутирует импульсы тока с амплитудой до 250 кА и скоростью нарастания около 4.5 кА/мкс.

Рис. 8. Испытательный стенд с разрядным контуром.

Рис. 9. Анодный ток и напряжение на тиристорном ключе.

Таблица 1

Топологии разветвленного управляющего электрода

ЛИТЕРАТУРА

[1]   M.E.Savage «Final Results From the High-Current, High-Action Closing Switch Test Program at Sandia National Laboratories», IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 28, no. 5, pp. 1451-1455, Oct. 2000.

[2]   H. Singh and C. R. Hummer “High action thyristors for pulse power applications”, in 12th IEEE Pulse Power Conference, June 1999.

[3]   S. Ikeda and T. Araki, “ The di/dt capability of thyristors”, Proc. IEEE, no. 8, pp. 1301-1305, 1967.

[4]   S.S. Asina, A.M. Surma, “A new design-technology technique for optimization of high power pulse thuristor characteristics”, in ELECTRIMACS Conference, Saint-Nazaire, Sept. 1996, pp. 485-490.

[5]   W.H. Tobin, “Effect of gate configuration on thyristor plasma properties”, in IEE IAS Conference Record, IEE IAS Annual Meeting, 1978.

[6]   Linder S., Klaka S. et al., «A New Range of Reverse Co

Вернуться назад

Транзисторный ключ ⋆ diodov.net

С развитием электронной импульсной техники транзисторный ключ в том или ином виде применяются практически в любом электронном устройстве. Более того, преимущественно количество микросхем состоят из десятков, сотен и миллионов транзисторных ключей. А в цифровой технике вообще не обходятся без них. В обще современный мир электроники не мыслим без рассмотренного в данной статье устройства.

Здесь мы научимся выполнять расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе (БТ). Одно из распространённых их применений – согласование микроконтроллера с относительно мощной нагрузкой: мощными светодиодами, семисегментными индикаторами, шаговыми двигателями и т.п.

Основная задача любого транзисторного ключа состоит в коммутации мощной нагрузки по команде маломощного сигнала.

Электронные ключи глубоко проникли и укоренились в области автоматики, вытеснив механические электромагнитные реле. В отличие от электромагнитного реле транзисторный ключ лишен подвижных механических элементов, что значительно увеличивает ресурс, быстродействие и надежность устройства. Скорость включения и отключения, то есть частота работы несравнимо выше с реле.

Однако и электромагнитные реле обладают полезными свойствами. Падение напряжения на замкнутых контактах реле значительно меньше, чем на полупроводниковых элементах, находящихся в открытом состоянии. Кроме того реле имеет гальваническую развязку высоковольтных цепей с низковольтными.

В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).

Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.

С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.

Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.

Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания U_КЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор R_К. Обратите внимание, положительный потенциал U_КЭ посредством R_К подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания U_КЭ изменяется на противоположную.

Резистор в цепи коллектора R_К служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.

Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением U_БЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор R_Б. Величина U_БЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.

Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания U_КЭ и управляющего сигнала U_БЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.

Биполярный транзистор может работать в двух принципиально разных режимах – в режиме усилителя и в режиме ключа. Работа БТ в усилительном режиме уже подробно рассмотрена с примерами расчетов в нескольких статьях. Очень рекомендую ознакомиться с ними. Ключевой режим работы БТ рассматривается в данной статье.

Как и электрический ключ, транзисторный ключ может (и должен) находится только в одном из двух состояний – включенном (открытом) и выключенном (закрытом), что отображено на участках нагрузочной прямой, расположенной на входной статической характеристике биполярного транзистора. На участке 3-4 БТ закрыт, а на его выводах потенциалы U_КЭ. Коллекторный ток I_К близок к нулю. При этом ток в цепи базы I_К также отсутствует, собственно по этой причине БТ и закрыт. Область на входной статической характеристике, отвечающая закрытому состоянию называется областью отсечки.

Второе состояние – БТ полностью открыт, что показано на участке 1-2. Как видно из характеристики, ток I_Кимеет некое значение, которое зависит от величин U_КЭ и R_К. В цепи база-эмиттер также протекает ток I_Б, величина которого достаточна для полного открытия биполярного транзистора.

Падение напряжения на pn-переходе коллектор-эмиттер в зависимости от серии транзистора и его мощности находится в пределах от сотых до десятых вольта. Такая рабочая область БТ, в которой он полностью открыт, называется областью насыщения.

В третьей области полупроводниковый ключ занимает среднее положение между открыто-закрыто, то есть он приоткрыт или призакрыт. Такая область, используется для транзистора, работающего усилителем, называется активной областью.

Расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе выполним на примере подключения светодиода к источнику питания 9 В, то есть к кроне. В качестве управляющего сигнала подойдет обычная батарейка 1,5 В. Для примера, возьмем БТ n-p-n структуры серии 2222A. Хотя подойдет любой другой, например 2N2222, PN2222, BC547 или советский МП111Б и т.п.

Рассматриваемую схему транзисторного ключа довольно просто собрать на макетной плате и произвести соответствующие измерения с помощью мультиметра, тем самым оценить точность наших расчетов.

Далее все расчеты сводятся к определению сопротивлений резистора коллектора R_К и базы R_Б. Хотя более логично, особенно при подключении мощной нагрузки, сначала подобрать транзистор по току и напряжению, а затем рассчитывать параметры резисторов. Однако в нашем и большинстве других случаев ток нагрузки относительно не большей и U источника питания невысокое, поэтому подходит практически любой маломощный БТ.

Все исходные данные сведены в таблицу.

Расчет начнем с определения сопротивления резистора R_К, который предназначен для ограничения величины тока I_К, протекающего через светодиод VD. R_К находится по закону Ома:

Величина I_К равна I_VD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:

Значение U_КЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔU_VD также известно и равно 2 В. А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для большинства современных маломощных БТ составляет до 0,1 В. Поэтому примем с запасом ΔU_КЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:

Находим сопротивление R_К:

Ближайший стандартный номинал резистора 680 Ом и 750 Ом. Выбираем резистор большего номинала R_К = 750 Ом. При этом ток, протекающий через светодиод I_VD в цепи коллектора, несколько снизится. Пересчитаем его величину:

Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы R_Б:

Формула содержит сразу две неизвестны – ΔU_Rб и I_Б. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔU_Rб:

U_БЭ нам известно – 1,5 В. А падение напряжения на переходе база-эмиттер в среднем принимают 0,6 В, отсюда:

Для определения тока базы I_Б необходимо знать I_К, который мы ранее пересчитали (I_К = 0,0092 А), и коэффициент усиления биполярного транзистора по току, обозначаемы буквой β (бэта). Коэффициент β всегда приводится в справочниках или даташитах, но гораздо удобнее и точнее определить его с помощью мультиметра. Используемый нами 2222A имеет β = 231 единицу.

Из таблицы стандартных номиналов резисторов выбираем ближайший меньший номинал (для гарантированного открытия БТ) 22 кОм.

Для более точного выбора параметров вместо постоянных резисторов в цепи включают переменные резисторы, включенные по схеме, приведенной ниже.

Таким образом, мы выполнили расчет транзисторного ключа, то есть определили R_К и R_Б по заданным исходным данным. Более полный расчет включает определение мощности рассеивания указанных резисторов, но ввиду незначительной нагрузки в нашем примере, подойдут резисторы с минимальной мощность рассеивания.

Еще статьи по данной теме

10 преимуществ тиристорного переключателя перед механическим переключателем

Кратко тиристоры можно охарактеризовать как кремниевый управляемый выпрямитель. Этот тиристор обладает коммутационной способностью, и для управления устройствами с большой нагрузкой доступны отдельные схемы переключения тиристоров. Обычно механические переключатели традиционно используются для управления оборудованием с большой нагрузкой. Но с введением триристорной коммутации большинство традиционных механических переключателей были заменены переключателями на основе тиристоров. Существует проверенный метод, при котором тиристорные переключатели намного лучше механических переключателей.Здесь мы планируем обсудить несколько преимуществ тиристорного переключателя перед механическими переключателями.

1. Требуется меньше времени для работы

Обычно тиристорные переключатели занимают меньше времени по сравнению с операцией, потому что они не содержат никаких движущихся частей, поэтому сравните с типичным механическим переключателем, тиристоры переключают способность рабочей скорости намного выше.

2. Тиристоры потребляют очень мало энергии

Механические переключатели выделяют тепло из-за сопротивления внутренней катушки, что также вызывает некоторые потери мощности.Таким образом, тиристоры не имеют внутренних катушек, поэтому тиристоры потребляют очень мало энергии по сравнению с механическим переключателем. тиристоры обладают способностью управлять большей мощностью с помощью очень меньшего количества тока (иногда от нескольких микроампер до миллиампер)

3. Тиристоры могут применять большую частоту переключения

По сравнению с механическими переключателями, тиристорные переключатели получили емкость работать с большой частотой. Таким образом, есть некоторые применения, которые необходимы, если тиристорные переключатели с большей частотой работают лучше, чем механические переключатели.

4. Допустимая мощность тиристоров хорошая

Тиристоры небольшие по размеру, но по сравнению с размером, допустимая мощность намного выше, чем у механического переключателя. При механических переключателях выполняется меньшая энергоемкость тиристоров.

5. Электрическая безопасность тиристорных переключателей лучше, чем механических переключателей

Механические переключатели содержат много механических частей, когда более высокий ток подается на механические переключатели, возникает дуга, которая также очень вредна для системы.Но переключатель, управляемый тиристорами, может выдерживать больший ток без образования дуги, как это делает механический переключатель. Таким образом, переключатели с тиристорным управлением обеспечивают безопасность системы.

6. Тиристорные переключатели можно использовать там, где необходим большой контроль.

Преимущества работы тиристорного переключателя основаны на электрическом напряжении, а управление работой намного проще по сравнению с механическими переключателями. поэтому его очень легко использовать там, где требуется сложное управление.

7. Легко получить передаточную функцию.

Механические переключатели обычно не имеют таких технических данных или характеристик, чтобы получить какие-либо передаточные функции устройства. Но работа на основе тиристоров содержит паспорт производителя, поэтому получить передаточную функцию устройства действительно легко.

8. Тиристорные переключатели, не обслуживаемые

Обычно эксплуатация и обслуживание механического переключателя включают удаление ржавчины и нанесение смазки.Но тиристор не требует такого жесткого обслуживания, как механический переключатель. Таким образом, стоимость обслуживания тиристора меньше.

9. Тиристорные переключатели могут применяться для надежных операций.

Тиристорный переключатель работает надежно, поэтому он может работать в течение более длительного периода с минимальной вероятностью ошибок. Таким образом, тиристорные операции намного надежнее механических переключателей.

10. Из-за меньшего объема занимаемого места процесс проектирования действительно прост.

Тиристорный переключатель требует гораздо меньше места по сравнению с механическим переключателем.так что это было бы одним из основных преимуществ при проектировании компактных схем в энергосистемах.

Статьи по теме:

Что такое преобразователи переменного тока в постоянный и различные типы преобразователей

, Hitachi Thyristor, ABB High Power Thyristor, ऐबीबी в Mulund West, Mumbai, Pragati Enterprise

Спецификация продукта

Описание продукта

• Подходит для конденсаторных блоков с расстраивающим дросселем или без него.
• Высокоскоростное переключение при нулевом дифференциальном напряжении
• Агрегаты с самоохлаждением и возможностью принудительного охлаждения.
• Мониторинг напряжения питания, триггера входа и теплового повреждения.
• ABB pf-TSM Datasheet V1, 31 июля 18 Для TSM не требуется внешнего питания.
• Дополнительный охлаждающий вентилятор работает от внешнего источника переменного тока 230 В, 50 Гц.
• Опциональный блок расширения оповещения с использованием беспотенциальных контактов 30 В постоянного тока, 1 А или
• 230 В переменного тока, 1 А.
• Прочные соединения через медные шины с защитной крышкой.
• Защита от проникновения грызунов.
• Соответствует экстремальным климатическим условиям.
• Соответствует ROHS.
• Без вихретокового обогрева кабеля.
• Класс защиты IP: IP20.
• Минимальное обслуживание.
• Самая низкая совокупная стоимость владения.

• .
• Ветровые турбины.
• Прессы быстрого действия.
• Лифты.
• Краны.
• Прочие.

• Тиристорный переключатель устанавливается непосредственно на монтажной плате компонентов низковольтного распределительного щита / панели. Для вентиляции требуется свободное пространство 150 мм. Подключения источника питания
• выполняются с помощью гибких медных кабелей подходящего размера с использованием защитных устройств (например, высокоскоростных предохранителей) в соответствии с требованиями.
• Триггерный сигнал 12–24 В постоянного тока, поступающий от контроллера коэффициента мощности или другого устройства, должен быть подключен к точкам «T + и T-» для включения модуля. Можно активировать несколько модулей тиристорного переключателя одновременно для достижения большей ступенчатой ​​мощности в квар.

Заинтересовались данным товаром? Получите последнюю цену у продавца

Связаться с продавцом

Изображение продукта

О компании

Год основания 1996

Юридический статус Фирмы Физическое лицо — Собственник

Характер бизнеса Оптовый торговец

Количество сотрудников До 10 человек

Годовой оборот R.1-2 крор

Участник IndiaMART с декабря 2012 г.

GST27AACPM4747L1ZC

Код импорта и экспорта (IEC) AACPM *****

Экспорт в Кению, Корею, Панаму, Сомали, Кувейт

Основанная в 1997 в Мумбаи, Махараштра , мы «Pragati Enterprise» — это единоличное предприятие (физическое лицо), основанное на , участвующее в качестве оптового трейдера из силовых конденсаторов, контроллера Etacon APFC, Решения для переключения конденсаторов, автоматический конденсатор PFC и многое другое. Эти продукты обрабатываются с особой тщательностью под руководством квалифицированных специалистов в соответствующей области.

Видео компании