Tyristory: princip činnosti, konstrukce, typy a způsoby zařazení

Princip činnosti tyristoru

Tyristor je výkonový elektronický, ne plně ovladatelný spínač. Proto se mu někdy v odborné literatuře říká jednočinný tyristor, který lze přepnout do vodivého stavu pouze řídicím signálem, tedy zapnout. Pro jeho vypnutí (při stejnosměrném provozu) je třeba provést speciální opatření, aby stejnosměrný proud klesl na nulu.

Tyristorový spínač může vést proud pouze v jednom směru a v sepnutém stavu je schopen odolat jak propustnému, tak i zpětnému napětí.

Tyristor má čtyřvrstvou strukturu p-n-p-n se třemi vývody: anodou (A), katodou (C) a hradlem (G), která je znázorněna na Obr. 1

Rýže. 1. Konvenční tyristor: a) — konvenční grafické označení; b) — voltampérová charakteristika.

Na Obr. 1b ukazuje skupinu výstupních statických I-V charakteristik při různých hodnotách řídicího proudu iG. Limitní propustné napětí, které vydrží tyristor bez jeho zapnutí, má maximální hodnoty při iG = 0.S rostoucím proudem iG snižuje napětí, které tyristor vydrží. Stav zapnutý tyristoru odpovídá větvi II, stav vypnutý odpovídá větvi I a spínací proces odpovídá větvi III. Přídržný proud nebo přídržný proud se rovná minimálnímu přípustnému dopřednému proudu iA, při kterém zůstává tyristor vodivý. Tato hodnota také odpovídá minimální možné hodnotě poklesu napětí v propustném směru na tyristoru.

Větev IV představuje závislost svodového proudu na zpětném napětí. Když zpětné napětí překročí hodnotu UBO, začne prudký nárůst zpětného proudu spojený s poruchou tyristoru. Povaha průrazu může odpovídat nevratnému procesu nebo procesu lavinového průrazu, který je vlastní činnosti polovodičové zenerovy diody.

Tyristory jsou nejvýkonnější elektronické spínače, schopné spínat obvody s napětím do 5 kV a proudy do 5 kA při frekvenci nejvýše 1 kHz.

Provedení tyristorů je znázorněno na Obr. 2.

Rýže. 2. Konstrukce tyristorových skříní: a) — tableta; b) — špendlík

DC tyristor

Konvenční tyristor se zapíná přivedením proudového impulsu do řídicího obvodu s kladnou polaritou vzhledem ke katodě. Doba trvání přechodového děje při zapínání je výrazně ovlivněna charakterem zátěže (aktivní, indukční atd.), amplitudou a rychlostí náběhu impulzu řídicího proudu iG, teplotou polovodičové struktury tyristoru, použité napětí a proud zátěže.V obvodu obsahujícím tyristor by neměly být žádné nepřijatelné hodnoty rychlosti nárůstu propustného napětí duAC / dt, kde může dojít k samovolné aktivaci tyristoru při absenci řídicího signálu iG a rychlosti vzestup z aktuální diA / dt. Zároveň musí být strmost řídicího signálu vysoká.

Mezi způsoby vypínání tyristorů je obvyklé rozlišovat přirozené vypínání (nebo přirozené spínání) a nucené (neboli umělé spínání). Přirozená komutace nastává, když tyristory pracují ve střídavých obvodech v okamžiku, kdy proud klesne na nulu.

Způsoby nuceného spínání jsou velmi rozmanité.Nejtypičtější z nich jsou následující: spojení předem nabitého kondenzátoru C se spínačem S (obrázek 3, a); připojení LC obvodu s předem nabitým kondenzátorem CK (obrázek 3 b); použití oscilační povahy přechodového procesu v zátěžovém obvodu (obrázek 3, c).

Rýže. 3. Metody umělého spínání tyristorů: a) — pomocí nabitého kondenzátoru C; b) — pomocí oscilačního výboje LC obvodu; c) — kvůli kolísavé povaze zatížení

Při přepínání podle schématu na obr. 3 a připojením spínacího kondenzátoru s obrácenou polaritou, např. k jinému pomocnému tyristoru, dojde k jeho vybití do vodivého hlavního tyristoru. Protože vybíjecí proud kondenzátoru je namířen proti propustnému proudu tyristoru, ten klesne na nulu a tyristor se vypne.

Ve schématu na Obr. 3, b, zapojení LC obvodu způsobí oscilační výboj spínacího kondenzátoru CK.V tomto případě na začátku protéká vybíjecí proud tyristorem opačně než jeho dopředný proud, když se vyrovnají, tyristor se vypne. Navíc proud LC-obvodu prochází z tyristoru VS do diody VD. Když proud smyčky protéká diodou VD, bude na tyristor VS přivedeno zpětné napětí rovnající se poklesu napětí na otevřené diodě.

Ve schématu na Obr. 3, připojení tyristoru VS ke komplexní zátěži RLC způsobí přechodný jev. Při určitých parametrech zátěže může mít tento proces oscilační charakter se změnou polarity proudu zátěže v. V tomto případě se po vypnutí tyristoru VS rozsvítí dioda VD, která začne vést proud o velikosti opačnou polaritu. Někdy se tento způsob přepínání nazývá kvazi-přirozený, protože zahrnuje změnu polarity zátěžového proudu.

AC tyristor

Když je tyristor připojen ke střídavému obvodu, jsou možné následující operace:

• zapínání a vypínání elektrického obvodu s aktivní a aktivní-reaktivní zátěží;

• změna průměrných a efektivních hodnot proudu zátěží díky tomu, že je možné upravit časování řídicího signálu.

Protože tyristorový spínač je schopen vést elektrický proud pouze v jednom směru, pak pro použití střídavých tyristorů se používá jejich paralelní zapojení (obr. 4, a).

Rýže. 4. Antiparalelní zapojení tyristorů (a) a tvar proudu s aktivní zátěží (b)

Průměr a efektivní proud se mění v důsledku změny času, kdy jsou na tyristory VS1 a VS2 aplikovány otevírací signály, tzn. změnou úhlu a (obr. 4, b).Hodnoty tohoto úhlu u tyristorů VS1 a VS2 jsou při regulaci současně měněny řídicím systémem. Úhel se nazývá řídicí úhel nebo úhel náběhu tyristoru.

Nejpoužívanější ve výkonových elektronických zařízeních je fázové (obr. 4, a, b) a tyristorové řízení s šířkou impulsu (obr. 4, c).

Rýže. 5. Typ zátěžového napětí při: a) — fázové řízení tyristoru; b) — fázové řízení tyristoru s nucenou komutací; c) — pulzní šířkové tyristorové řízení

U fázového způsobu tyristorového řízení s nucenou komutací je možná regulace zatěžovacího proudu jak změnou úhlu ?, tak úhlu ?... Umělé spínání se provádí pomocí speciálních uzlů nebo pomocí plně řízených (blokovacích) tyristorů.

Při řízení šířky pulzu (pulzní šířková modulace — PWM) během Totkr je na tyristory přiveden řídící signál, ty jsou rozepnuté a na zátěž je přivedeno napětí Un. Během času Tacr chybí řídicí signál a tyristory jsou v nevodivém stavu. RMS hodnota proudu v zátěži

kde In.m. — zátěžový proud při Tcl = 0.

Křivka proudu v zátěži s fázovým řízením tyristorů je nesinusová, což způsobuje zkreslení tvaru napětí napájecí sítě a poruchy v práci spotřebičů citlivých na vysokofrekvenční rušení - dochází k tzv. Elektromagnetická nekompatibilita.

Uzamykací tyristory

Tyristory jsou nejvýkonnější elektronické spínače používané ke spínání vysokonapěťových, vysokoproudých (vysokoproudých) obvodů.Mají však značnou nevýhodu - neúplnou ovladatelnost, která se projevuje v tom, že pro jejich vypnutí je nutné vytvořit podmínky pro snížení propustného proudu na nulu. To v mnoha případech omezuje a komplikuje použití tyristorů.

Pro odstranění tohoto nedostatku byly vyvinuty tyristory, které jsou uzamčeny signálem z řídicí elektrody G. Takové tyristory se nazývají hradlové tyristory (GTO) nebo duální provoz.

Uzamykací tyristory (ZT) mají čtyřvrstvou strukturu p-p-p-p, ale zároveň mají řadu výrazných konstrukčních prvků, které jim dávají zcela odlišný od tradičních tyristorů - vlastnost plné ovladatelnosti. Statická I-V charakteristika vypínacích tyristorů v propustném směru je totožná s I-V charakteristikou běžných tyristorů. Lock-in tyristor však obvykle není schopen blokovat velká zpětná napětí a je často připojen k antiparalelní diodě. Lock-in tyristory se navíc vyznačují výraznými poklesy napětí v propustném směru. K vypnutí blokovacího tyristoru je nutné přivést do obvodu uzavírací elektrody silný pulz záporného proudu (cca 1:5 vzhledem k hodnotě konstantního vypínacího proudu), avšak s krátkou dobou trvání (10- 100 μs).

Lock-in tyristory mají také nižší vypínací napětí a proudy (asi o 20-30 %) než běžné tyristory.

Hlavní typy tyristorů

S výjimkou lock-in tyristorů byla vyvinuta široká škála tyristorů různých typů, lišících se rychlostí, řídicími procesy, směrem proudů ve vodivém stavu atd.Mezi nimi je třeba poznamenat následující typy:

• tyristorová dioda, která je ekvivalentní tyristoru s antiparalelně zapojenou diodou (obr. 6.12, a);

• diodový tyristor (dynistor), přecházející do vodivého stavu při překročení určité úrovně napětí, přivedený mezi A a C (obr. 6, b);

• blokovací tyristor (obr. 6.12, c);

• symetrický tyristor nebo triak, což je ekvivalent dvou antiparalelně spojených tyristorů (obr. 6.12, d);

• vysokorychlostní invertorový tyristor (doba vypnutí 5-50 μs);

• polní tyristor, například založený na kombinaci MOS tranzistoru s tyristorem;

• optický tyristor řízený světelným tokem.

Rýže. 6. Konvenční grafické označení tyristorů: a) — tyristorová dioda; b) — diodový tyristor (dynistor); c) — blokovací tyristor; d) - triak

Tyristorová ochrana

Tyristory jsou kritická zařízení pro rychlost nárůstu propustného proudu diA / dt a poklesu napětí duAC / dt. Tyristory se stejně jako diody vyznačují jevem zpětného zotavovacího proudu, jehož prudký pokles na nulu zhoršuje možnost přepětí s vysokou hodnotou duAC / dt. Taková přepětí jsou výsledkem náhlého přerušení proudu v indukčních prvcích obvodu, včetně malé indukčnosti instalace. K ochraně tyristorů se proto obvykle používají různá schémata CFTCP, která v dynamických režimech poskytují ochranu proti nepřijatelným hodnotám diA / dt a duAC / dt.

Vnitřní indukční odpor napěťových zdrojů zařazených do obvodu přiloženého tyristoru je ve většině případů dostatečný, takže není zavedena žádná další indukčnost LS.Proto jsou v praxi často potřeba CFT, které snižují úroveň a rychlost vypínacích rázů (obr. 7).

Rýže. 7. Typický obvod tyristorové ochrany

Obvykle se k tomu používají RC obvody zapojené paralelně s tyristorem. Existují různé obvodové modifikace RC obvodů a způsoby výpočtu jejich parametrů pro různé podmínky použití tyristorů.

U lock-in tyristorů se používají obvody k vytvoření spínací cesty, podobně jako u CFTT tranzistorů.